WO2007085077A1 - Coated metal oxide particles with low dissolution rate, methods for preparing same and use thereof in electrochemical systems - Google Patents

Coated metal oxide particles with low dissolution rate, methods for preparing same and use thereof in electrochemical systems Download PDF

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WO2007085077A1
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carbon
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oxide
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Michel Perrier
Martin Dontigny
Michel Petitclerc
Abdelbast Guerfi
Karim Zaghib
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Definitions

  • the present invention relates to particles comprising a core, based on acid metal oxide, whose surface is at least partially covered by a polymer having an electrochemical stability greater than 3.7 volts.
  • the present invention also relates to processes for the preparation of a mixture of these particles and which notably implement steps of mixing the constituents of the particles.
  • These particles have the advantage of a low level of solubility of the metal oxide present in the core, even after having been subjected to a large number of electrochemical cycles.
  • the covering of the electrode supports are particularly stable in operation and can thus be advantageously used in high performance electrochemical systems.
  • the electrodes and generators thus obtained are also an object of the present invention, as are the processes for the preparation of the electrodes and generators of the invention.
  • a first object of the present invention is constituted by particles comprising a core and a coating which covers at least partly, preferably at least 80%, more preferably at least 90% and in the most advantageous manner 100% of the surface of said core, said particle being characterized in that:
  • said core is preferably composed for at least 90%, more preferably still for at least 94% by weight of an acid metal oxide, with a pH of preferably less than 6.5, more preferably still with a pH of between 3 and 6;
  • the coating of the core being based on a polymer, preferably based on a salt polymer, whose electrochemical stability is greater than or equal to 3.7 volts; the size of the coating is of average thickness preferably between 500 nanometers and 2 micrometers and the coated core is of an average size of 5 o which is preferably between 500 nanometers and 40 micrometers, more preferably still this size is between 2 and 20 micrometers; and the solubility rate (ts), at a fixed time, of the metal oxide migrating towards the electrolyte, per cycle, is less than 5 per 10,000, preferably this level is between 2 and 4.5 per 10,000.
  • the polymer used to carry out the coating is preferably chemically stable, or very stable, or even extremely stable.
  • the electrochemical stability of the polymer used for the coating is between 3.75 and 5 volts.
  • a preferred subfamily of particles of the invention consists of particles whose metal oxide is selected from the group consisting of - AT -
  • the core of the particle comprises from 1 to 12%, preferably from 6 to 10% by weight, of a carbon chosen preferably from the group consisting of ethylene black, natural graphite and graphite. artificial, Shawinigan carbon, Ketjen carbon, and mixtures of at least two of these.
  • Another advantageous sub-family of particles of the invention may consist of particles whose core is based on one or more salty polymers, preferably based on at least one polymer salted by at least one selected salt. in the group consisting of LiFSI, LiTFSI, LiBETI, LiDCTA, LiBF 4 and LiPF ⁇ type salts; and at most 10% of fillers preferably selected from the group consisting of SiO 2 , ZrO 2 and Al 2 O 3 , and mixtures of at least two of these.
  • the polymer constituting the coating may be electronically conductive, and may preferably be based on a polymer selected from the group consisting of polyanilines, preferably from the group of polyanilines having an average molecular weight greater than 1000, and preferably between 2500 and 50000.
  • the constituent polymer of the coating may be non-electronically conductive and may advantageously be chosen from the group consisting of non-conducting polymers of the multi-branch type.
  • the electron-non-conductive polymer is at least 3 branches, and even more preferably of the 4-branch type, such as those described in the international application published on July 31, 2003 under WO 03/063287 (and more particularly on pages 5, 8). and 9), filed on behalf of Hydro-Québec, as well as in columns 1 and 2 of US Pat. No. 6,190,804 (Ishiko et al.) and which have hybrid acrylate terminations. (preferably methacrylates) and alkoxy (preferably alkoxy with 1 to 8 carbon atoms, more preferably still methoxy or ethoxy), or vinyl.
  • the 4-branch type such as those described in the international application published on July 31, 2003 under WO 03/063287 (and more particularly on pages 5, 8). and 9), filed on behalf of Hydro-Québec, as well as in columns 1 and 2 of US Pat. No. 6,190,804 (Ishiko et al.) and which have hybrid acrylate terminations. (preferably methacrylates) and alkoxy
  • the metal oxide may be a mixture (50:50) of LiV 3 Oe and V 2 O 5 .
  • Another advantageous sub-family of particles of the invention may be constituted by particles comprising a core of the metal oxide LiV 3 Os of a size of 5 microns, covered for 80% of its surface by a coating consisting of the polymer 4-branch type and an average thickness of between 10 nanometers and 5 microns, preferably between 15 nanometers and 2 microns, characterized by a ts less than 5%.
  • Another advantageous subfamily of particles of the invention may consist of particles comprising a metal oxide core V 2 O 5 of a size of 5 microns, covered for 80% of its surface by a coating consisting of the polymer 4 branches and an average thickness of between 10 nanometers and 5 micrometers, preferably between 15 nanometers and 2 micrometers, characterized by a ts less than 4%.
  • a second object of the present invention is constituted by a process for preparing a homogeneous mixture of particles according to the first subject of the invention.
  • the preparation may advantageously be carried out by mixing the polymer and a metal oxide, dry without any addition of solvent, preferably in proportions by weight of 10 to 90%, preferably 40 to 80% for each of the constituents of the mixture, preferably the amount of metal oxide present in the mixture is greater than that of the polymer.
  • the preparation may also be carried out by homogeneous mixture of particles according to the first subject of the invention, in which the mixture is: - by preparing a mixture of the polymer and a metal oxide, preferably in proportions by weight of 10 to 90%, preferably 40 to 80% for each of the constituents of the mixture, preferably the amount of oxide metal present in the mixture is greater than that of the polymer; and
  • the solvent used represents in volume of 10 to 80%, more preferably 20 to 70% of the total volume of the solvent and the mixture.
  • the mixture can be done by "milling lease”, “sand mill”, HEBM ("Hot Electron Bolometer Mixer”), mechanofusion, “agglomaster”, Nobita ® or by implementation of at least two of these techniques, preferably at a temperature between 10 and 40 ° C and, advantageously, in the presence of an inert gas selected from the group consisting of nitrogen, argon or dry air.
  • HEBM Hot Electron Bolometer Mixer
  • mechanofusion mechanofusion
  • agglomaster Nobita ®
  • an inert gas selected from the group consisting of nitrogen, argon or dry air.
  • a third object of the present invention is constituted by the electrodes constituted by an electrode support, said support being preferably made of a metallic material or a conductive plastic material, and at least partially covered, preferably homogeneous by a mixture consisting of at least 40%, preferably 50 to 80% by weight of particles defined in the first subject of the invention or obtained by one of the processes defined in the second subject of the invention.
  • At least one polymer is a binder of said electrode by creating bridges between the electrode support, the metal oxide-based particles and the polymer-based coating.
  • the binder polymer may be a mixture of a high stability polymer and binder and a binder polymer (polymer that binds the particles in the cathode) different from the polymer present in the coating.
  • the binder polymer may consist solely of a coating polymer with high electrochemical stability.
  • the electrodes may comprise at least one polymer containing at least one lithium salt and at least one carbon having a specific surface area greater than or equal to 1 m 2 / g, preferably with a higher specific surface area. at 50 m 2 / g.
  • the mixture (polymer-oxide-salt-carbon) is produced without the addition of a solvent, advantageously by using the Doctor Blade method and / or by extrusion.
  • the mixture (polymer-oxide-salt-carbon) is produced with the addition of a solvent preferably chosen from the group consisting of acetone, acetonitrile, toluene, MEK, VC, DEC, DMC, EMC, DME or mixtures of at least two of these, preferably by using the method of the Doctor Blade and / or by extrusion.
  • a solvent preferably chosen from the group consisting of acetone, acetonitrile, toluene, MEK, VC, DEC, DMC, EMC, DME or mixtures of at least two of these, preferably by using the method of the Doctor Blade and / or by extrusion.
  • composition of the polymer may represent from 1 to 70% by weight relative to the total weight of the mixture (polymer + salt + oxide + carbon).
  • the electrodes in which the carbon composition represents 1 to 10% by weight relative to the total weight of the mixture are particularly interesting.
  • the concentration of salt, present in the mixture (polymer-oxide-salt-carbon), and expressed relative to the polymer is between 0.1 M and 3 M, preferably between 0.7 M and 2 M .
  • Another family of electrodes of the invention may be constituted by the electrodes, in which the carbon present in the mixture (polymer- oxide-salt-carbon), is a mixture of a first carbon of graphite nature with a specific surface area of less than 50 m 2 / g and a second carbon of large non-graphitic surface type whose specific surface area is greater than 50 m 2 / g; the specific surface is measured according to the BET method.
  • the carbon present in the mixture is a mixture of a first carbon of graphite nature with a specific surface area of less than 50 m 2 / g and a second carbon of large non-graphitic surface type whose specific surface area is greater than 50 m 2 / g; the specific surface is measured according to the BET method.
  • the carbon present in the electrode is of VGCF carbon fiber type, mesophase ex, PAN (polyacronitryl).
  • the salt is dissolved in the polymer and is selected from the group consisting of LiFSI, LiTFSI, LiBETI, LiPF 6 and mixtures of at least two of these.
  • a fourth object of the present invention is constituted by the methods for preparing one of the electrodes defined in the third subject of the present invention.
  • an oxide-polymer-salt-carbon liquid mixture can be spread on a metal-type current collector by extrusion or by "Doctor Blade”, “slot die”, “coma”.
  • the polymer may be of the four-branch type with preferably at least two branches capable of giving rise to crosslinking, and it is converted into a polymer matrix, optionally in the presence of an organic solvent, by crosslinking. after spreading the mixture on the electrode support.
  • crosslinking can advantageously be carried out without the addition of a crosslinking agent other than the metal oxide.
  • the polymer may be of EG type, with preferably at least two branches capable of giving rise to crosslinking, and it is converted into a polymer matrix, optionally in the presence of an organic solvent, by crosslinking after spreading. of the mixture on the electrode support.
  • a fifth object of the present invention is constituted by a method for preparing electrochemical generators comprising at least one anode, at least one cathode and an electrolyte, in which at least one of the electrodes is as defined in the third subject of the present application. or as obtained by one of the methods defined in the fourth subject of the present invention.
  • these methods can be applied to the preparation of electrochemical generators of the lithium generator type and the spread cathode can be introduced into said lithium generator with a dry polymer as electrolyte, the battery contains no liquid solvent.
  • these processes can be applied to the preparation of electrochemical generators in which the electrolyte is made of the same material as the binder and the coating.
  • the process can be used for the preparation of electrochemical generators in which the electrolyte: consists of a material different from that which constitutes the binder and / or the coating; and or
  • the process can be used for the preparation of electrochemical generators in which:
  • the anode is of lithium or lithium or carbon alloy type, graphite, carbon fiber, Li 4 Ti 5 O 12 , WO 2 , preferably metallic lithium or slightly alloyed lithium; and or
  • a sixth object of the present invention consists of the electrochemical generators obtained by implementing one of the methods defined in the fifth subject of the present invention.
  • Another advantageous family of the generators of the invention may be constituted by those comprising particles as defined in the first subject of the invention or as obtained by implementing a method according to the second subject of the invention. .
  • a seventh object of the present invention is constituted by the use of a generator, as defined in the sixth subject of the present invention, in an electric vehicle, in a hybrid vehicle, in telecommunications, UPS, and in devices electrochromic.
  • An eighth object of the present invention is constituted by the processes for reducing the solubility of metal oxides in electrochemical systems consisting in increasing the pH of the oxide, preferably by choosing the nature and the quantity of the carbon mixed with the particles of oxides, more particularly by coating the oxide particles with a polymer, based on PEO, polyacrylonitrile, PMMA and / or PVC solubilized in a solvent (acetonitrile, water, acetone, methanol, etc.), then drying the composition and charring at a temperature of about 600-700 0 C, under an inert atmosphere for 8-12 hours; the quantity and type of the polymer used being related to the residual carbon content present at the surface of the particles of the oxide, and the oxide and polymer solution mixture being advantageously produced by Jar mill, mill bar, or paint mixer.
  • Figure 1 illustrates the phenomenon of dissolution observed for small particles, uncoated, based on lithium vanadium oxide and LiV 3 O 8 formula.
  • Figure 2 illustrates the phenomenon of dissolution of large particles, uncoated, based vanadium oxide lithiated.
  • Figure 3 illustrates the mechanism of general formation of dendrites, upon the dissolution of an acidic metal oxide in an electrochemical system of the solid polymer lithium battery type.
  • Figure 4 shows the behavior of an electrode according to the invention, wherein the particles of the metal oxide have been coated with a stable polymer which slows the dissolution of vanadium in the electrode.
  • Figure 5 illustrates the device used to detect the oxidation current of a metal oxide and to quantify the limit of the operating voltage of the polymer.
  • FIG. 6 gives the results, in the form of curves, of the measurement of the stability of metal oxide particles LiVaOs coated respectively with a polyether polymer with a molecular weight MW of 70000, in the first case, and by a polymer with 4 branches, in the second case.
  • FIG. 7 represents the evolution of the chemical stability of the polyether polymer with a molecular weight MW of 70000, for a heat treatment of 1 day, 3 days, then 1 week, and 2 weeks.
  • Figure 8 show changes in chemical stability of the polymer ERM-4B which is a macromonomer having four branches, of an average molecular weight MW of 10 000, a viscosity of 3.5 Pa. Sec at 25 0 C and characterized by a number of acrylate functions per molecule which is 3, for a heat treatment of a duration of 3 days, the various curves corresponding to stability measurements carried out for a heat treatment of 1 day, 3 days, then 1 week , 2 weeks and the observation of crosslinking.
  • salt polymer refers to a polymer that contains a salt such as a polymer salted with at least one salt selected from the group consisting of LiFSI salts. , LiTFSI, LiBETI, LiDCTA, LiBF 4 and LiPF 6 .
  • electrochemical stability corresponds to the window of stability of the polymer; outside this window, the polymer is degraded.
  • 3-arm polymers is related, as illustrated in the document "Relationship between Structural Factor of Gel Electrolyte and Characteristics of Electrolyte and Lithium-ion Polymer Battery Performances” by Hiroe Nakagawa et al., The 44th Symposium in Japan, Nov 4-6, 2003, Abstract 3D26, to three-branched polymers in the form of a 3-limbed comb.
  • the 3 substantially parallel branches of these polymers are preferably attached to the center and both ends of a small skeleton, preferably having 3 atoms, preferably 3 carbon atoms, in the chain.
  • each of these atoms is connected to a branch.
  • these polymers with 3 branches and in the context of the present invention, those having a mean molecular weight (MW) ranging from 1000 to 1,000,000 are preferred, more preferably those whose average molecular weight ranges from 5,000 to 100,000.
  • four-branched polymers is related to the aforementioned patent application WO 03/063287, which is incorporated by reference into the present application, which describes a preferred family of polymers. four branches.
  • Such polymers have the form of a comb with 4 branches.
  • the 4 substantially parallel branches of these polymers are respectively fixed between the two ends (preferably fixed to the chain symmetrically) and at both ends of a small chain, preferably consisting of a chain comprising 4 atoms which are preferably 4 carbon atoms.
  • each atom is connected to a branch.
  • Such polymers preferably have hybrid termini, more preferably hybrid terminations acrylates (preferably methacrylate) and alkoxy (preferably alkoxy with 1 to 8 carbon atoms, more preferably still methoxy or ethoxy), or vinyl, a branch at least said four-branched polymer (and preferably at least two branches) being capable of giving rise to crosslinking.
  • hybrid termini more preferably hybrid terminations acrylates (preferably methacrylate) and alkoxy (preferably alkoxy with 1 to 8 carbon atoms, more preferably still methoxy or ethoxy), or vinyl, a branch at least said four-branched polymer (and preferably at least two branches) being capable of giving rise to crosslinking.
  • the four-branched polymer is one of those defined in columns 1 and 2 of the aforementioned US-A-6, 190,804, which is incorporated by reference in the present application.
  • This polymer is preferably a polyether star polymer which has at least four branches having terminations containing the following functions: acrylate or methacrylate and alkoxy, allyloxy and / or vinyloxy, at least one, and preferably at least two of these functions are active to allow crosslinking.
  • the 4-branched polymer is a tetrafunctional polymer preferably of high molecular point corresponding to formula (I):
  • R 1 and R 2 each represent a hydrogen atom or a lower alkyl (preferably 1 to 7 carbon atoms);
  • R 3 represents a hydrogen atom or a methyl group;
  • m and n each represents an integer greater than or equal to 0; in each high molecular point chain, m + n>35; and each of R 1 , R 2 , R 3 and each of the m and n parameters may be the same or different in the 4 high molecular weight chains.
  • those having an average molecular weight of between 1,000 and 1,000,000, more preferably still those having an average molecular weight ranging from 5,000 to 100,000 are particularly interesting.
  • star-type polyethers of at least four branches with a hybrid termination are retained. Its stability voltage is much higher than 4.
  • the EG-type vinyl polymers and more particularly those described in the patent application published in EP-A-1, 249,461 (Wendel et al.), which is incorporated by reference in the present application, are of particular interest as protective material. Particularly advantageous among these polymers are those whose average molecular weight ranges from 600 to 2500.
  • Polymers of this family may advantageously be obtained by reacting ethylene oxide and propanol-1-epoxy-2,3 with the starting material, or by reacting propanol-1-epoxy-2,3 with ethylene glycol as the starting material for producing a polymer compound. This step is followed by the introduction of polymerizable and / or non-polymerizable functional groups at each end of a backbone and side chains into the resulting polymeric compound.
  • Compounds having one or more active hydrogen residues and alkoxide may also be used as starting materials.
  • active hydrogen residues for the compound having one or more active hydrogen residues include the group of hydroxyls, preferably having from 1 to 5 active hydrogen residues.
  • Specific examples of compounds having one or more active hydrogen residues include triethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol, glycerin, diglycerin, pentaerythritol and their derivatives.
  • alkoxide also include CH 3 ONa, t-BuOK and their derivatives.
  • the polyetheric polymer compounds of the invention have the unit of structure represented by the formula (1) as well as the unit of structure represented by the formula (2) and / or the unit of structure represented by the formula (3) .
  • the number of structural units represented by the formula (1) in a molecule is from 1 to 22,800, more preferably from 5 to 11400, and more preferably from 10 to 5700.
  • the number of structural units of the formula ( 2) or (3) (but when both are included, the total number) is 1 to 13,600, more preferably 5 to 6800, and more preferably 10 to 3400 as well as a molecule.
  • Examples of polymerizable functional groups introduced at each molecular end include (meth) acrylate residues, allyl groups and vinyl groups, and examples of non-polymerizable functional groups include alkyl groups or functional groups comprising boron atoms.
  • alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms are preferred, those having 1 to 4 carbon atoms are more preferred, and the methyl groups are especially advantageous.
  • Examples of functional groups comprising boron atoms include those represented by the following formulas (4) or (5):
  • R 12 R 23 R 11 , and R 12 in formula (4) and R 21 , R 22 , R 23 in formula (5) may be the same or different, and each represents hydrogen, halogen, alkyl, alkoxy, aryl, alkenyl, alkynyl , aralkyl, cycloalkyl, cyano, hydroxyl, formyl, aryloxy, alkylthio, arylthio, acyloxy, sulfonyloxy, amino, alkylamino, arylamino, carbonamino, oxysulfonylamino, sulfonamide, oxycarbonylamino, ureide, acyl, oxycarbonyl, carbamoyl, sulfonyl, sulfinyl, oxysulfonyl, sulfamoyl , carboxylate, sulfonate, phosphonate, heterocyclic, -B (R a
  • (R a ), (R b ) and (R 0 ) each represent hydrogen, halogen, alkyl, alkoxy, aryl, alkenyl, alkynyl, aralkyl, cycloalkyl, cyano, hydroxyl, formyl, aryloxy, alkylthio, arylthio, acyloxy, sulfonyloxy , amino, alkylamino, arylamino, carbonamino, oxysulfonylamino, sulfonamide, oxycarbonylamino, ureide, acyl, oxycarbonyl, carbamoyl, sulfonyl, sulfinyl, oxysulfonyl, sulfamoyl, carboxylate, sulfonate, phosphonate, heterocyclic or derivatives thereof.
  • R 11 , and R 12 in formula (4) and R 21 , R 22 , R 23 in formula (5) may be bonded together to form a ring, and the ring may have substituents. Each group may also be substituted with substitutable groups.
  • X + in formula (5) represents an alkali metal ion, and is advantageously a lithium ion.
  • the ends of the molecular chains in the polyether polymer may all be polymerizable functional groups, non-polymerizable functional groups, or may include both.
  • the average molecular weight (MW) of this type of polyether polymer compound is not especially limited, but is usually about 500 to 2 million, and preferably about 1000 to 1.5 million.
  • the polymers of these preferential families are moreover advantageously chosen from polymers which are crosslinkable by ultraviolet, infrared, heat treatment and / or electron beam ("EBeam").
  • the acidic or basic nature of a metal oxide greatly influences its stability. So the Soluble oxides such as LiV 3 Oa and V 2 O 5 are generally found to have acidic pH, whereas insoluble oxides such as LiFePO 4 and LiCoO 2 are found to have basic pHs.
  • Table I shows some pH values for metal oxides LiV 3 O 8 and LiCoO 2 , in the presence of varying amounts of carbon, mixed with the oxide. The pH was measured using the method defined below.
  • a coating with a particular polymer makes it possible to very substantially improve the stability of the metal oxide particles at acidic pH.
  • the LiV 3 Os particles are protected by coating them with a chemically and / or electrochemically stable polymer in their window.
  • electrochemical with an electrochemical stability greater than or equal to 3.7 volts.
  • the polymers used to carry out the coating are preferably of the polyether type, more preferably of the multi branch or hyperbranch type, in particular those synthesized by the company DKS and described in US Pat. No. 6,190,804, which is incorporated by reference in the US Pat. this request.
  • These polymers are preferably salted with a salt of LiFSI, LiTFSI, LiBETI, LiBF 4 and LiPF 6 type .
  • a mixture polymer with at least one salt which is liquid at room temperature is preferably used.
  • the coating of the metal oxide particles is carried out by one of the following methods or by combination of at least two of the methods: “lease milling”; “jar milling”; HEBM
  • Nobulta marketed by the company Hosokawa, Japan; "Aggolmaster"; and
  • the coating of the oxide can be achieved by several methods, with or without a solvent.
  • the salty polymer coating the oxide particles plays multiple roles. Its first role is to ensure the non-dissolution of the metal oxide, such as LiV 3 Os Its second role is that of binder, between the oxide particles present in the cathode spreading solution, for example on a support in aluminium. The third role is to ensure the ionic conductivity of the salt, between the particles, and through the separator.
  • the pH of the metal oxide represents the measured value, using a conventional glass electrode, in an aqueous solution of the oxide obtained by dissolution, under normal conditions of temperature and pressure, of 0.15 grams of the oxide in 10 cc of water. It is allowed to stand for a week under normal temperature conditions, then stirred just before taking the measurement with an OAKTON 2100 series apparatus, marketed by OAKTON.
  • any sample whose pH is less than 7 is classified as acidic metal oxide.
  • carbon-metal oxide influences the value of the pH; it differs more or less substantially from that of the metal oxide alone. This parameter can be used to improve the stability of metal oxides.
  • the following particular method of coating the oxide particles with carbon is preferred.
  • the oxide powder is coated with a polymer based on PEO, polyacrylonitrile, PMMA and / or PVC solubilized in a solvent (acetonitrile, water, acetone, methanol, etc.). Then the composition is dried and then carbonized at a temperature of about 600-700 0 C under an inert atmosphere and for 8-12 hours.
  • the amount of the polymer used is related to the residual carbon content present at the surface of the particles of the oxide.
  • the mixture oxidizes and Polymer solution can be achieved by "mill jar", "mill lease", or paint mixer.
  • soluble oxides generally have acidic pH, while insoluble oxides such as LiFePO 4 and LiCoO 2 have basic pH.
  • FIG. 3 illustrates, in particular, the mechanism for the general formation of dendrites during the dissolution of an acid metal oxide in an electrochemical system of the solid polymer lithium battery type.
  • SPE Solid Polymer Electrolyte
  • SEI Solid Electrolyte Interface
  • the metal oxide particles initially present only in the cathode, significantly decreased in size during the first 50 cycles and partially migrated into the SPE and the lithium anode. After 100 cycles, dendrites of the oxide were formed. These dendrites extend from lithium metal to lithium separator, while piercing the electrolyte.
  • the references used in Figure 3 are: 2 for lithium (negative), 4 for SPE ("Solid Polymer Electrolyte" - separator), 6 for carbon, 8 for vanadium oxide, 10 for Li 2 O, 12 for Li 2 CO 3 , 14 for dendrite and 16 for cathode.
  • a metal of the soluble oxide reacts with the lithium of the passivation film to make it an electronic conductor and increases its thickness.
  • the formation of dendrites can result in the drilling of the SPE. And, when the dendrites reach a certain size, they can touch the cathode thus creating a short circuit that causes the battery to die.
  • This stability is measured by the method developed by the applicant using the device shown in Figure 3.
  • a Mac battery is used with a potentiostatic mode to characterize materials in electrochemical stability. This is a slow cyclovoltametry test. When the scanning speed is 10 mV / h, the material is considered to be in its stable thermodynamic state. The current peaks generated are therefore in regions where there is no electrochemical activity. The degradation of the material is in regions where there is no electrochemical activity of the material. The degradation can intensify, depending on the voltage, to form a non-reversible electrochemical wall.
  • a degradation curve of the polymer is shown in FIG. 6.
  • the beginning of the oxidation wall expresses the limit of stability of the polymer. It is thanks to the high surface area carbon electrode, such as Ketjen or Shawinigan, that the electrochemical stability can easily be measured and the polymer degradation detected. Method for measuring the electrochemical stability of a polymer
  • Figure 5 illustrates the device used to detect the oxidation current of a metal oxide and to quantify the limit of the operating voltage of the polymer.
  • the references used in FIG. 5 are: 28 for lithium, 30 for SPE, 32 for Shawinigan carbon and 34 for binder (4-branched polymer).
  • the cathode used for the measurements is a polymer and carbon composite with a large surface area spread on an aluminum current collector. Thanks to the surface developed by carbon, this material acts as a detector and can detect any oxidation current with an intensity as low as about 2 microamperes.
  • the electrolyte in solid form or in liquid form, soaked in a microporous polyolefin membrane, such as Celgard ® , is stable at high voltage.
  • the anode is composed of metallic lithium which serves as reference electrode and as counter-electrode.
  • the electrochemical method used is the slow cyclovoltametry implemented with a scanning speed of 10 mV / h. This method illustrates the oxidation current as a function of the voltage: each time the current approaches zero, the operating voltage of the polymer is stable.
  • the value of the electrochemical stability is defined as the value of the voltage applied to the system when one observes the abrupt change in the current / voltage (I function of V).
  • the stability of the polymer used as the electrolyte in the cathode is determined by the preparation of a sample of spreading solution containing the oxide, the polymer, the salt and the spreading solvent. A sample of this solution is taken (0.3 grams) and put in a 40 ml sample bottle, the solvent is then evaporated by vacuuming the various samples overnight. The sample bottles are sealed, under an argon atmosphere, then transferred to an oven for treatment at 80 ° C. A monitoring of the stability of the polymer as a function of time was carried out by dissolving the cathode in THF, then by injecting it after filtration in a GPC system to determine the molecular weight and polydispersity of the extracted polymer. These results are subsequently compared with the results of a polymer that has not undergone any heat treatment.
  • Figures 7 to 9 show the evolution of the molecular weight of a standard polymer as a function of time, after heat treatment. This figure shows that after less than two hours, at 80 ° C., in the presence of open circuit voltage (OCV) vanadium oxide at 3.55 volts, the polymer initiates a significant degradation. This degradation continues until the polymer is completely degraded. This step is reached in less than 2 days.
  • OCV open circuit voltage
  • FIGS 8 and 9 show the evolution of the molecular weight of new polymers (respectively ERM-4B and EG-2500) under the same conditions of degradation. These figures demonstrate, for these two polymers, that the extracted cathode samples remain stable for a period of more than 2 hours, at 80 ° C. Subsequently, a decrease in the Although the molecular weight and polydispersity of the extractor remain stable. After more than 3 days ERM-4Branches (also called 4 branches) and one day respectively for the EG-2500, the polymers are fully crosslinked and show no signs of degradation. Only the by-products related to the crosslinking reaction are then extracted and analyzed by GPC.
  • ERM-4Branches also called 4 branches
  • a polymer is chemically stable if the decrease in its molecular weight, after having been subjected to a heat treatment at 80 ° C. for 1 day, has not decreased by more than 10%.
  • An extremely stable polymer is considered to be one in which the reduction in molecular weight, after having been subjected to heat treatment at 80 ° C. for 3 weeks, has not decreased by more than 5%.
  • the chemically stable polymers preferably the moderately stable polymers and more preferably those classified, according to this test, as being very stable are advantageously used in the context of the present invention to constitute the coating of the soluble metal oxide particles.
  • the solubility rate (ts) of the metal oxide is the percentage of metal oxide particles initially present in the cathode that migrate to the electrolyte and to the anode. .
  • a sectional view of a lithium battery (Lithium / SPE / cathode) is observed under the microscope before cycling and after cycling.
  • E V / L
  • J ⁇ E.
  • Conductive metals are those whose ⁇ > 10 5 ( ⁇ .m) '1 .
  • semiconductor materials those which verify the relation: 10 * 6 ⁇ ⁇ 10 5 ( ⁇ .m) "1.
  • insulating materials those satisfying the relation ⁇ ⁇ 10 " 6 ( ⁇ .m) "1 .
  • conductive polymers those having a conductivity greater than 10 "5 ( ⁇ .m)" 1 and as non-conductive polymers those having a conductivity of less than or equal to 10 "6 ( ⁇ .m ) - 1 .
  • the generator or electrochemical battery is formed of at least 3 films, respectively playing the role of anode, electrolyte and cathode.
  • Anode - This is a film of lithium or lithium alloy, or lithium carbon. Preferably the film is lithium.
  • Electrolyte (SPE) - This is a dry polymer film without any solvents. Its nature depends on the oxide of the cathode.
  • the operating voltage of the oxide is connected to the potential at mid-discharge in C / 100 (discharge in 100 hours).
  • the SPE may be of the same nature as the coating polymer, or of a different type, ie characterized by a stability of less than or equal to 3.7 volts.
  • the SPE should preferably be of the same nature as the polymer coating the oxide: for example LiCoO 2 (3.6 volts) and / or LiFePo 4 (3.5 volts).
  • Cathode - It is formed of a soluble or non-soluble oxide, preferably the oxide is soluble with a stable polymeric coating of electrochemical stability greater than or equal to 3.7 volts.
  • the binder can be of the same nature as the coating of the oxide, when the potential of the oxide varies from 3 to 5 volts.
  • the solution is spread on a 17 ⁇ m thick aluminum support using the Doctor Blade method.
  • the electrode thus prepared is dried under vacuum at 90 ° C. for 24 hours.
  • An electrode 37 microns thick is obtained. This electrode is named P70-carb1.
  • the solution is spread on an aluminum support using the Doctor Blade method.
  • the electrode obtained will be dried under vacuum at 90 ° C.
  • the thickness of this electrode is 35 microns.
  • This electrode is named 4B-carb1.
  • Lithium consists of a 55 micron thick film.
  • the electrolyte 1 is of 4 branches nature with a thickness of 20 microns.
  • the electrolyte 2 is of a P70 nature with a thickness of 20 microns.
  • the CeIM and Cell2 batteries are put in an oven at 80 ° C. and connected to a Mac Pile in potentiostatic mode. Slow cyclovoltametry is applied to CeIH and Cell2, with a scan rate of 10 mV / hr.
  • the CeIM battery shows that the 4-branch polymer (Figure 6) is stable, up to a voltage of 4.1 volts.
  • the Cell2 battery shows that the polymer P70 (FIG. 6) has a slight degradation wave around 3.3-3.6 volts, which is followed by a first peak of degradation at 3.74 volts.
  • Example 3 with polymer 4 branches
  • LiV 3 O 8 8 grams of LiV 3 O 8 , 0.42 grams of Ketjen carbon, 3.25 grams of 4-branched polymers and 0.90 grams of LiTFSI are mixed with 27 ml of acetonitrile for 24 hours in a "jar milling". .
  • LiV 3 O 8 8 grams of LiV 3 O 8 , 0.43 grams of Ketjen carbon, 3.25 grams of EG-2500 polymer and 0.90 grams of LiTFSI are mixed with 27 ml of acetonitrile in a Jar Milling for 24 hours.
  • FIG. 8 After evaporation of the acetonitrile at 80 ° C., the measurements carried out and reported in FIG. 8 demonstrate the evolution of the molecular weight of the polymer EG-2500, under the same degradation conditions as the examples 2 and 3. figure also demonstrates, for this polymer, that the extracted cathode samples remain stable for a period of more than 2 hours at 80 ° C. Subsequently, there is a decrease in the extraction rate and this, although the mass molecular weight and the polydispersity of the extractor remain stable. After more than one day, the polymer EG-2500 is fully crosslinked and shows no signs of degradation.
  • Example 5 P70 polymer with LiV 3 O ⁇ oxide / pH less than 7
  • LiV 3 O 8 and 0.43 grams of Ketjen carbon are dry blended mechanofusion for 45 minutes.
  • the cobalt LiV 3 Os-carbon thus obtained is mixed with 3.25 grams of polymer P70 and 0.904 grams of LiTFSI, to which 27 ml of acetonitrile are added; this mixture is introduced into a metal container 1/3 of which is occupied by the solution, 1/3 by volume steel balls and 1/3 of the volume is free.
  • the coating is obtained by HEBM for 30 minutes at 25 ° C.
  • the solution is spread on an aluminum current collector using the Doctor Blade method.
  • the electrode is dried under vacuum for 24 hours.
  • the electrode obtained has a thickness of 45 microns.
  • the battery assembly is performed as follows: Lithium / SPE / - P70 / LVO-P70.
  • the capacity of the cell is 5 mAh, the battery is maintained at 80 ° C. for 2 weeks, in potentiostatic mode at 3.6 volts.
  • Example 6 4-branch polymer with LiV 3 O 8 / pH 7
  • LiV 3 O 8 and 0.43 grams of Ketjen carbon are dry blended mechanofusion for 45 minutes.
  • This cobalt LiV 3 O 8 -carbon is mixed with 3.25 grams of the 4-branch polymer (Elexcel TA-210) and 0.904 LiTFSI, to which 24.7 ml of acetonitrile is added.
  • the mixture thus obtained is introduced into a metal container of which 1/3 by volume is occupied by the solution of this mixture, 1/3 by steel balls and 1/3 of the volume remains free.
  • the coating is obtained by HEBM for 30 minutes at 25 ° C.
  • the solution is spread on an aluminum current collector, by the method of Doctor Blade.
  • the electrode is dried under vacuum for 24 hours, the electrode has a thickness of 45 micrometers.
  • the battery is installed as follows: Lithium / SPE / -4Branches / LVO-4branches.
  • the capacity of the cell is 5.5 mAh, the battery is maintained at 80 ° C. for 2 weeks in potentiostatic mode, at 3.6 volts. The capacity then measured is 5.2 mAh. The loss of capacity is 1% which is the limit of the error of the capacity. Which proves that LiV 3 O 8 is not dissolved.
  • LiV 3 O 8 and 0.43 grams of Ketjen carbon are dry blended mechanofusion for 45 minutes.
  • This cobalt LiV 3 O 8 -carbon is mixed with 3.25 grams of polymer EG 2500 and 0.904 LiTFSI, to which is added 45 ml of acetonitrile; this mixture is introduced into a metal container of which 1/3 by volume is constituted by the solution of this mixture, 1/3 by steel balls with a diameter of 6.34 mm and 1/3 volume remains free.
  • the coating is obtained by HEBM for 30 minutes at 25 ° C.
  • the solution is spread on an aluminum current collector, by the method of Doctor Blade.
  • the obtained LVO-EG electrode is dried under vacuum for 24 hours.
  • the electrode has a thickness of 45 micrometers.
  • the battery assembly is performed as follows: Lithium / SPE-EG / - / LVO-EG.
  • the capacity of the cell is 5.5 mAh, the battery is maintained at 80 ° C. for 2 weeks in potentiostatic mode at 3.6 volts.
  • LiFePO 4 and 0.45 grams of Ketjen carbon are dry blended mechanofusion for 45 minutes.
  • This cobalt LiFePO 4 -carbon is mixed with 3.25 grams of P70 polymer and 0.9 of LiTFSI, to which 45 ml of acetonitrile are added.
  • This mixture is introduced into a metal container of which 1/3 by volume is filled with the solution of this mixture, 1/3 by steel balls with a diameter of 6.34 mm and 1/3 of the volume remains free.
  • the coating is obtained by HEBM for 30 minutes at 25 ° C.
  • the solution is spread on an aluminum current collector, using the Doctor Blade method.
  • the LiFePO 4 -P70 electrode obtained is dried under vacuum for 24 hours.
  • the electrode has a thickness of 45 micrometers.
  • the battery assembly is performed as follows: Lithium / SPE-P707- / LVO-P70.
  • the capacity of the cell is 4.5 mAh, the battery is maintained at 80 0 C for 2 weeks in potentiostatic mode at 3.63 volts.
  • LiFePO 4 and 0.45 grams of Ketjen carbon are dry blended by mechanofusion for 45 minutes.
  • This cobalt LiFePO 4 -carbon is mixed with 3.25 grams of polymer 4 Branches and 0.9 LiTFSI, to which is added 45 ml of acetonitrile; this mixture is introduced into a metal container of which 1/3 by volume is filled by the solution of the mixture, 1/3 of steel balls with a diameter of 6.34 mm and 1/3 of the volume remains free.
  • the coating is obtained by HEBM for 30 minutes at 25 ° C.
  • the solution is spread on an aluminum current collector, using the Doctor Blade method, the LiFePO 4 -4B electrode is dried under empty for 24 hours, the electrode has a thickness of 45 micrometers.
  • the battery assembly is performed as follows: Lithium / SPE-EG / - / LiFePO 4 -4B.
  • the capacity of the cell is 4.5 mAh.
  • the battery is maintained at 80 ° C. for 2 weeks in potentiostatic mode at 3.63 volts.
  • the capacity remains unchanged (4.5 mAh), the capacity maintenance is directly related to the oxidation stability of the 4-branch polymer.
  • the maintenance of the capacity is directly related to the oxidation stability of the 4-branched polymer (4B).
  • LiFePO 4 78 grams of LiFePO 4 , and 0.45 grams of Ketjen carbon, are dry blended mechanofusion for 45 minutes.
  • This LiFePO 4 -carbon cobalt is mixed with 3.25 grams of EG-2500 polymer and 0.9 grams of LiTFSI, to which 45 ml of acetonitrile are added.
  • This mixture is introduced into a metal container of which 1/3 by volume is occupied by the solution of this mixture, 1/3 by steel balls with a diameter of 6.34 mm and 1/3 of the volume remains free.
  • the coating is obtained by HEBM for 30 minutes at 25 ° C.
  • the solution is spread on an aluminum current collector, using the Doctor Blade method.
  • the LiFePO 4 -4B electrode is dried under vacuum for 24 hours, the electrode has a thickness of 45 micrometers.
  • the battery assembly is performed as follows: Lithium / SPE-EG / - / LiFePO 4 -4B.
  • the capacity of the cell is 4.5 mAh, the battery is maintained at 80 0 C for 2 weeks in potentiostatic mode at 3.63 volts.
  • the capacity remains unchanged (4.5 mAh). Maintaining the capacity is directly related to the oxidation stability of the 4-branched polymer.
  • Maintaining the capacity is directly related to the oxidation stability of the 4-branched polymer.
  • LiFePO 4 and 0.45 grams of Ketjen carbon are dry blended mechanofusion for 45 minutes.
  • the resulting LiFePO 4 -carbon cobalt is mixed with 3.25 grams of EG-2500 polymer and 0.9 of LiTFSI, to which 45 ml of acetonitrile are added.
  • the mixture thus obtained is introduced into a metal container of which 1/3 by volume is filled with the solution of this mixture, 1/3 by steel balls with a diameter of 6.34 mm, and 1/3 of the volume. remain free.
  • the coating is obtained by HEBM for 30 minutes at 25 ° C.
  • the solution is spread on a 17 ⁇ m thick aluminum current collector, using the Doctor Blade method.
  • the LiFePO 4 -4B electrode is dried under vacuum for 24 hours, it has a thickness of 45 micrometers.
  • the battery is installed as follows: Lithium / SPE-EG / - / LIFEPO 4 -polymer 4B.
  • the capacity of the cell is 4.5 mAh.
  • the battery is maintained at 80 ° C. for 2 weeks in potentiostatic mode at 3.63 volts.
  • the capacity remains unchanged (4.5 mAh), the capacity maintenance is directly related to the oxidation stability of the 4-branch polymer.
  • the maintenance of the capacity is directly related to the oxidation stability of the EG polymer.
  • coated particles of the invention are found to have excellent electrochemical properties, especially with regard to the life of batteries in which they are incorporated and because of its economic interest.
  • Figure 1 illustrates the phenomenon of dissolution observed for small particles, uncoated, based vanadium oxide lithia and LiVaO 8 .
  • the insertion of Li into the vanadium oxide causes a volume increase of the particles; at the origin of an average size of 5 micrometers (D50).
  • the lithiated particles have an average size of 5.5 micrometers (D55), which corresponds to a size increase of 3 to 4%.
  • the metal oxide particles After 50 cycles, the metal oxide particles have a smaller average size of 3.5 microns.
  • Figure 2 illustrates the phenomenon of dissolution of large particles, uncoated, based vanadium oxide lithiated.
  • the insertion of Li into the vanadium oxide causes a volume increase of the particles.
  • the lithiated particles have an average size of 33 micrometers.
  • the metal oxide particles have an average size of 23 micrometers.
  • Figure 4 shows the behavior of an electrode according to the invention, wherein the particles of the metal oxide have been coated with a stable polymer which slows the dissolution of vanadium in the electrode.
  • the references used in FIG. 4 are: 18 for lithium, 20 for SPE, 22 for Ketjen carbon, 24 for (4-arm polymer) coating the oxide and 5 for oxide core.

Abstract

The invention concerns particles comprising a core and a coat covering at least part of the core surface. The core consists for more than 50% of an acidic metal oxide and the core coating is based on a polymer, preferably based on a soiled polymer with high electrochemical stability. The particle has a solubility rate (ts), in fixed time, of the metal oxide migrating towards the electrolyte, per cycle, which is less than 5 per 10000. The particles are obtained by mixing the polymer and a metal oxide, via dry process with addition of solvent. The electrodes constituting an electrode substrate at least partly coated with a mixture consisting of at least 40 of those particles have remarkable electrochemical properties, in particular regarding the lifetime of batteries in which they are incorporated.

Description

PARTICULES D'OXYDE MÉTALLIQUE ENROBÉES À FAIBLE TAUX DE METALLIC OXIDE PARTICLES COATED AT LOW LEVELS OF
DISSOLUTION, PROCÉDÉS DE PRÉPARATION ET UTILISATION DANSDISSOLUTION, METHODS OF PREPARATION AND USE IN
LES SYSTEMES ÉLECTROCHIMIQUESELECTROCHEMICAL SYSTEMS
DOMAINE DE L'INVENTIONFIELD OF THE INVENTION
La présente invention est relative à des particules comprenant un noyau, à base d'oxyde métallique acide, dont la surface est au moins partiellement recouverte par un polymère présentant une stabilité électrochimique supérieure à 3,7 Volts.The present invention relates to particles comprising a core, based on acid metal oxide, whose surface is at least partially covered by a polymer having an electrochemical stability greater than 3.7 volts.
La présente invention concerne également les procédés permettant la préparation d'un mélange de ces particules et qui mettent notamment en œuvre des étapes de mélange des constituants des particules.The present invention also relates to processes for the preparation of a mixture of these particles and which notably implement steps of mixing the constituents of the particles.
Ces particules présentent l'avantage d'un faible taux de solubilité de l'oxyde métallique présent dans le noyau, et ce, même après avoir été soumises à un nombre important de cycles électrochimiques.These particles have the advantage of a low level of solubility of the metal oxide present in the core, even after having been subjected to a large number of electrochemical cycles.
Parmi les nombreuses applications possibles pour les mélanges de particules de l'invention, on peut mentionner le recouvrement des supports d'électrodes. Les électrodes ainsi obtenues sont particulièrement stables en fonctionnement et peuvent ainsi être avantageusement utilisées dans des systèmes électrochimiques hautement performants.Among the many possible applications for the particle mixtures of the invention, there can be mentioned the covering of the electrode supports. The electrodes thus obtained are particularly stable in operation and can thus be advantageously used in high performance electrochemical systems.
Les électrodes et les générateurs ainsi obtenus constituent également un objet de la présente invention, de même que les procédés pour la préparation des électrodes et générateurs de l'invention.The electrodes and generators thus obtained are also an object of the present invention, as are the processes for the preparation of the electrodes and generators of the invention.
HISTORIQUEHISTORICAL
Le document "Study of Mn dissolution from LiMn2O4 spinel électrodes using in situ total reflection X-ray fluorescence analysis and fluorescence XAFS technique" de Yasuko Terada dans Journal of Power Sources 97-98 (2001), pages 420-422, met ainsi en évidence le phénomène de dissolution des oxydes LiMn2O4 dans des batteries secondaires et la perte de capacité qui en résulte.The paper "Study of Mn dissolution from LiMn 2 O 4 spinel electrodes using in situ total reflection X-ray fluorescence analysis and XAFS fluorescence Technical "Yasuko Terada in Journal of Power Sources 97-98 (2001), pages 420-422, thus highlights the phenomenon of dissolution of LiMn 2 O 4 oxides in secondary batteries and the loss of capacity that results.
Le document "In situ XAFS study of the electrochemical deintercalation of Li from Lii-xMn2-yCrθ4" de Izumi Nakai et al. dans Journal of Power Sources 97-98 (2001), pages 412-414, décrit également le phénomène de dissolution de l'oxyde métallique et propose de remédier partiellement à l'instabilité de la structure par la substitution partielle de Mn par Cr, Co ou Ni. Cette technique s'avère complexe et présente des inconvénients du fait qu'elle nécessite une nouvelle synthèse et l'ajustement du dopant de façon que la structure soit électrochimiquement stable.The paper "In situ XAFS study of the electrochemical deintercalation of Li from Lii -x Mn 2 - y Crθ 4" Izumi Nakai et al. in Journal of Power Sources 97-98 (2001), pages 412-414, also describes the phenomenon of dissolution of the metal oxide and proposes to partially remedy the instability of the structure by the partial substitution of Mn by Cr, Co or Ni. This technique is complex and has disadvantages because it requires a new synthesis and adjustment of the dopant so that the structure is electrochemically stable.
Le document "Influence of the particle size on the electrochemical properties of lithium manganèse oxide" de Chung-Hsin Lu et al. dans Journal of Power Sources 97-98 (2001), pages 458-469, met en évidence le rôle joué par la taille des particules des oxydes lithium manganèse sur les valeurs de capacité spécifique et sur l'efficacité coulombienne des particules d'oxyde métallique lithium manganèse.The document "Influence of the particle size on the electrochemical properties of lithium manganese oxide" by Chung-Hsin Lu et al. in Journal of Power Sources 97-98 (2001), pages 458-469, highlights the role played by the particle size of lithium manganese oxides on the specific capacity values and on the Coulomb efficiency of metal oxide particles. lithium manganese.
Au cours des dernières années, l'intérêt commercial des oxydes métalliques tels LiV3Os, V2O5 et LiMn2O4 comme éléments constitutifs et fonctionnels de systèmes électrochimiques, a été très limité. Cette limitation provient notamment de la faible stabilité des oxydes métalliques dans le cadre de cycles charges décharges et des pertes sensibles de performances qui en résultent.In recent years, the commercial interest of metal oxides such as LiV 3 Os, V 2 O 5 and LiMn 2 O 4 as constituent and functional elements of electrochemical systems has been very limited. This limitation stems in particular from the low stability of the metal oxides in the context of discharged charge cycles and the resulting significant losses of performance.
Il existait donc un besoin pour valoriser de tels oxydes métalliques considérés comme instables, notamment ceux présentant de bonnes propriétés électrochimiques, tels LiMn2O4, LiV3O8, et des coûts de production modérés, notamment en raison d'une abondance naturelle particulière. SOMMAIREThere was therefore a need to valorize such metal oxides considered as unstable, especially those with good electrochemical properties, such as LiMn 2 O 4 , LiV 3 O 8 , and moderate production costs, in particular because of a particular natural abundance . SUMMARY
Un premier objet de la présente invention est constitué par les particules comprenant un noyau et un enrobage qui recouvre au moins en partie, de préférence au moins 80 %, plus préférentiellement encore au moins 90 % et selon le mode le plus avantageux 100 % de la surface dudit noyau, ladite particule étant caractérisée en ce que :A first object of the present invention is constituted by particles comprising a core and a coating which covers at least partly, preferably at least 80%, more preferably at least 90% and in the most advantageous manner 100% of the surface of said core, said particle being characterized in that:
- ledit noyau est composé de préférence pour au moins 90 %, plus préférentiellement encore pour au moins 94 % en poids d'un oxyde métallique acide, d'un pH de préférence inférieur à 6,5, plus préférentiellement encore d'un pH compris entre 3 et 6;said core is preferably composed for at least 90%, more preferably still for at least 94% by weight of an acid metal oxide, with a pH of preferably less than 6.5, more preferably still with a pH of between 3 and 6;
- l'enrobage du noyau étant à base d'un polymère, de préférence à base d'un polymère salé, dont la stabilité électrochimique est supérieure ou égale à 3,7 Volts; - la taille de l'enrobage est d'une épaisseur moyenne préférentiellement comprise entre 500 nanomètres et 2 micromètres et le noyau recouvert est d'une taille moyenne d5o qui est de préférence comprise entre 500 nanomètres et 40 micromètres, plus préférentiellement encore cette taille est comprise entre 2 et 20 micromètres; et - le taux de solubilité (ts), à temps fixe, de l'oxyde métallique migrant vers l'électrolyte, par cycle, est inférieur à 5 pour 10000, de préférence ce taux est compris entre 2 et 4,5 pour 10000.- The coating of the core being based on a polymer, preferably based on a salt polymer, whose electrochemical stability is greater than or equal to 3.7 volts; the size of the coating is of average thickness preferably between 500 nanometers and 2 micrometers and the coated core is of an average size of 5 o which is preferably between 500 nanometers and 40 micrometers, more preferably still this size is between 2 and 20 micrometers; and the solubility rate (ts), at a fixed time, of the metal oxide migrating towards the electrolyte, per cycle, is less than 5 per 10,000, preferably this level is between 2 and 4.5 per 10,000.
Selon un mode avantageux de réalisation de l'invention, le polymère utilisé pour réaliser l'enrobage est de préférence chimiquement stable, ou très stable, voir même extrêmement stable.According to an advantageous embodiment of the invention, the polymer used to carry out the coating is preferably chemically stable, or very stable, or even extremely stable.
De préférence, la stabilité électrochimique du polymère utilisé pour l'enrobage est comprise entre 3,75 et 5 Volts.Preferably, the electrochemical stability of the polymer used for the coating is between 3.75 and 5 volts.
Une sous-famille préférentielle de particules de l'invention est constituée par les particules dont l'oxyde métallique est choisi dans le groupe constitué par - A -A preferred subfamily of particles of the invention consists of particles whose metal oxide is selected from the group consisting of - AT -
LiMn2O4, V2O5, LiMn(2-x)VxO4 avec x variant de 0 à 1 bornes comprises, V6Oi3, et LiV3O8, préférentiellement encore l'oxyde métallique est LiV3O8.LiMn 2 O 4 , V 2 O 5 , LiMn ( 2-x) V x O 4 with x ranging from 0 to 1 inclusive, V 6 Oi 3 , and LiV 3 O 8, more preferably the metal oxide is LiV 3 O 8 .
Selon une variante avantageuse, le noyau de la particule comporte de 1 à 12 %, de préférence de 6 à 10 % en poids d'un carbone choisi de préférence dans le groupe constitué par le noir d'éthylène, le graphite naturel, le graphite artificiel, le carbone de Shawinigan, le carbone de Ketjen, et les mélanges d'au moins deux de ces derniers.According to an advantageous variant, the core of the particle comprises from 1 to 12%, preferably from 6 to 10% by weight, of a carbon chosen preferably from the group consisting of ethylene black, natural graphite and graphite. artificial, Shawinigan carbon, Ketjen carbon, and mixtures of at least two of these.
Une autre sous-famille avantageuse de particules de l'invention peut être constituée par les particules dont le noyau est à base d'un ou de plusieurs polymères salés, de préférence à base d'au moins un polymère salé par au moins un sel choisi dans le groupe constitué par les sels de type LiFSI, LiTFSI, LiBETI, LiDCTA, LiBF4 et LiPFβ; et d'au maximum 10 % de charges choisies de préférence dans le groupe constitué par SiO2, ZrO2 et AI2O3, et les mélanges d'au moins deux de ces derniers.Another advantageous sub-family of particles of the invention may consist of particles whose core is based on one or more salty polymers, preferably based on at least one polymer salted by at least one selected salt. in the group consisting of LiFSI, LiTFSI, LiBETI, LiDCTA, LiBF 4 and LiPFβ type salts; and at most 10% of fillers preferably selected from the group consisting of SiO 2 , ZrO 2 and Al 2 O 3 , and mixtures of at least two of these.
Avantageusement, le polymère constitutif de l'enrobage peut être conducteur électronique, et peut être de préférence à base d'un polymère choisi dans le groupe constitué par les polyanilines, de préférence dans le groupe des polyanilines ayant un poids moléculaire moyen supérieur à 1000, et de préférence compris entre 2500 et 50000.Advantageously, the polymer constituting the coating may be electronically conductive, and may preferably be based on a polymer selected from the group consisting of polyanilines, preferably from the group of polyanilines having an average molecular weight greater than 1000, and preferably between 2500 and 50000.
Le polymère constitutif de l'enrobage peut être non conducteur électronique et peut être choisit avantageusement dans le groupe constitué par les polymères non conducteurs de type multibranches.The constituent polymer of the coating may be non-electronically conductive and may advantageously be chosen from the group consisting of non-conducting polymers of the multi-branch type.
De préférence, le polymère non conducteur électronique est d'au moins 3 branches, et plus préférentiellement encore de type 4 branches tels ceux décrits dans la demande internationale publiée le 31 juillet 2003 sous WO 03/063287 (et plus particulièrement en pages 5, 8 et 9), déposée au nom d'Hydro-Québec, ainsi que dans les colonnes 1 et 2 du brevet américain US-A- 6,190,804 (Ishiko et al.) et qui présentent des terminaisons hybrides acrylates (de préférence méthacrylates) et alkoxy (de préférence alkoxy avec de 1 à 8 atomes de carbone, plus préférentiellement encore méthoxy ou éthoxy), ou encore vinyle.Preferably, the electron-non-conductive polymer is at least 3 branches, and even more preferably of the 4-branch type, such as those described in the international application published on July 31, 2003 under WO 03/063287 (and more particularly on pages 5, 8). and 9), filed on behalf of Hydro-Québec, as well as in columns 1 and 2 of US Pat. No. 6,190,804 (Ishiko et al.) and which have hybrid acrylate terminations. (preferably methacrylates) and alkoxy (preferably alkoxy with 1 to 8 carbon atoms, more preferably still methoxy or ethoxy), or vinyl.
Avantageusement, l'oxyde métallique peut être un mélange (50: 50) de LiV3Oe et de V2O5.Advantageously, the metal oxide may be a mixture (50:50) of LiV 3 Oe and V 2 O 5 .
Une autre sous-famille avantageuse de particules de l'invention peut être constituée par les particules comportant un noyau de l'oxyde métallique LiV3Os d'une taille de 5 microns, recouverte pour 80 % de sa surface par un enrobage constitué du polymère de type 4 branches et d'une épaisseur moyenne comprise entre 10 nanomètres et 5 micromètres, de préférence comprise entre 15 nanomètres et 2 micromètres, caractérisée par un ts inférieur à 5 %.Another advantageous sub-family of particles of the invention may be constituted by particles comprising a core of the metal oxide LiV 3 Os of a size of 5 microns, covered for 80% of its surface by a coating consisting of the polymer 4-branch type and an average thickness of between 10 nanometers and 5 microns, preferably between 15 nanometers and 2 microns, characterized by a ts less than 5%.
Une autre sous-famille avantageuse de particules de l'invention peut être constituée par les particules comportant un noyau d'oxyde métallique V2O5 d'une taille de 5 micromètres, recouvert pour 80 % de sa surface par un enrobage constitué du polymère 4 branches et d'une épaisseur moyenne comprise entre 10 nanomètres et 5 micromètres, de préférence comprise entre 15 nanomètres et 2 micromètres, caractérisée par un ts inférieur à 4 %.Another advantageous subfamily of particles of the invention may consist of particles comprising a metal oxide core V 2 O 5 of a size of 5 microns, covered for 80% of its surface by a coating consisting of the polymer 4 branches and an average thickness of between 10 nanometers and 5 micrometers, preferably between 15 nanometers and 2 micrometers, characterized by a ts less than 4%.
Un deuxième objet de la présente invention est constitué par un procédé de préparation d'un mélange homogène de particules selon le premier objet de l'invention.A second object of the present invention is constituted by a process for preparing a homogeneous mixture of particles according to the first subject of the invention.
La préparation peut se faire avantageusement par mélange du polymère et d'un oxyde métallique, par voie sec sans aucun ajout de solvant, de préférence dans des proportions en poids de 10 à 90 %, de préférence de 40 à 80 % pour chacun des constituants du mélange, de préférence la quantité d'oxyde métallique présent dans le mélange est supérieure à celle du polymère.The preparation may advantageously be carried out by mixing the polymer and a metal oxide, dry without any addition of solvent, preferably in proportions by weight of 10 to 90%, preferably 40 to 80% for each of the constituents of the mixture, preferably the amount of metal oxide present in the mixture is greater than that of the polymer.
La préparation peut également se faire par mélange homogène de particules selon le premier objet de l'invention, dans lequel le mélange se fait : - par préparation d'un mélange du polymère et d'un oxyde métallique, de préférence dans des proportions en poids de 10 à 90 %, de préférence de 40 à 80 % pour chacun des constituants du mélange, de préférence la quantité d'oxyde métallique présent dans le mélange est supérieure à celle du polymère; etThe preparation may also be carried out by homogeneous mixture of particles according to the first subject of the invention, in which the mixture is: - by preparing a mixture of the polymer and a metal oxide, preferably in proportions by weight of 10 to 90%, preferably 40 to 80% for each of the constituents of the mixture, preferably the amount of oxide metal present in the mixture is greater than that of the polymer; and
- avec ajout dans le solvant d'au moins un solvant choisi dans le groupe constitué par l'acétone, l'acétonitrile, le toluène, MEK, NMP ou les mélanges d'au moins deux de ces derniers, de préférence le solvant utilisé représente en volume de 10 à 80 %, plus préférentiellement de 20 à 70 % du volume total du solvant et du mélange.with addition to the solvent of at least one solvent selected from the group consisting of acetone, acetonitrile, toluene, MEK, NMP or mixtures of at least two of these, preferably the solvent used represents in volume of 10 to 80%, more preferably 20 to 70% of the total volume of the solvent and the mixture.
Avantageusement, le mélange peut se faire par "bail milling", "sand mill", HEBM ("Hot Electron Bolometer Mixer"), mécanofusion, "agglomaster", Nobita® ou par mise en œuvre d'au moins deux de ces techniques, de préférence à une température comprise entre 10 et 40°C et, avantageusement, en présence d'un gaz inerte choisi dans le groupe constitué par l'azote, l'argon ou l'air sec.Advantageously, the mixture can be done by "milling lease", "sand mill", HEBM ("Hot Electron Bolometer Mixer"), mechanofusion, "agglomaster", Nobita ® or by implementation of at least two of these techniques, preferably at a temperature between 10 and 40 ° C and, advantageously, in the presence of an inert gas selected from the group consisting of nitrogen, argon or dry air.
Un troisième objet de la présente invention est constitué par les électrodes constituées d'un support d'électrode, ledit support étant de préférence fait d'un matériau métallique ou d'un matériau plastique conducteur, et au moins partiellement recouvert, de préférence de façon homogène par un mélange constitué d'au moins 40 %, de préférence de 50 à 80 % en poids de particules définies dans le premier objet de l'invention ou obtenues par un des procédés défini dans le second objet de l'invention.A third object of the present invention is constituted by the electrodes constituted by an electrode support, said support being preferably made of a metallic material or a conductive plastic material, and at least partially covered, preferably homogeneous by a mixture consisting of at least 40%, preferably 50 to 80% by weight of particles defined in the first subject of the invention or obtained by one of the processes defined in the second subject of the invention.
De préférence, dans les électrodes de l'invention, au moins un polymère est un liant de ladite électrode en créant des ponts entre le support d'électrode, les particules à base d'oxyde métallique et l'enrobage à base de polymères.Preferably, in the electrodes of the invention, at least one polymer is a binder of said electrode by creating bridges between the electrode support, the metal oxide-based particles and the polymer-based coating.
Avantageusement, le polymère liant peut être un mélange d'un polymère d'enrobage à haute stabilité et à caractère liant et d'un polymère liant (polymère qui lie les particules dans la cathode) différent du polymère présent dans l'enrobage. De préférence, le polymère liant peut être uniquement constitué par un polymère d'enrobage à haute stabilité électrochimique.Advantageously, the binder polymer may be a mixture of a high stability polymer and binder and a binder polymer (polymer that binds the particles in the cathode) different from the polymer present in the coating. Preferably, the binder polymer may consist solely of a coating polymer with high electrochemical stability.
Selon un mode avantageux de réalisation de l'invention, les électrodes peuvent comprendre au moins un polymère contenant au moins un sel de lithium et au moins un carbone de surface spécifique supérieure ou égale à 1 m2/g, de préférence de surface spécifique supérieure à 50 m2/g.According to an advantageous embodiment of the invention, the electrodes may comprise at least one polymer containing at least one lithium salt and at least one carbon having a specific surface area greater than or equal to 1 m 2 / g, preferably with a higher specific surface area. at 50 m 2 / g.
De préférence, le mélange (polymère-oxyde-sel-carbone) est réalisé sans ajout de solvant, avantageusement par mise en œuvre de la méthode du Doctor Blade et/ou par extrusion.Preferably, the mixture (polymer-oxide-salt-carbon) is produced without the addition of a solvent, advantageously by using the Doctor Blade method and / or by extrusion.
Selon un autre mode avantageux de réalisation, le mélange (polymère-oxyde- sel-carbone) est réalisé avec ajout de solvant choisi de préférence dans le groupe constitué par l'acétone, l'acetonitrile, le toluène, MEK, VC, DEC, DMC, EMC, DME ou les mélanges d'au moins deux de ces derniers, de préférence par mise en œuvre de la méthode du Doctor Blade et/ou par extrusion.According to another advantageous embodiment, the mixture (polymer-oxide-salt-carbon) is produced with the addition of a solvent preferably chosen from the group consisting of acetone, acetonitrile, toluene, MEK, VC, DEC, DMC, EMC, DME or mixtures of at least two of these, preferably by using the method of the Doctor Blade and / or by extrusion.
Avantageusement, la composition du polymère peut représenter de 1 à 70 % en poids par rapport au poids total du mélange (polymère + sel + oxyde + carbone).Advantageously, the composition of the polymer may represent from 1 to 70% by weight relative to the total weight of the mixture (polymer + salt + oxide + carbon).
Les électrodes dans lesquelles la composition du carbone représente de 1 à 10 % en poids par rapport au poids total du mélange (polymère + sel + oxyde + carbone) sont particulièrement intéressantes.The electrodes in which the carbon composition represents 1 to 10% by weight relative to the total weight of the mixture (polymer + salt + oxide + carbon) are particularly interesting.
De préférence, la concentration du sel, présent dans le mélange (polymère- oxyde-sel-carbone), et exprimée par rapport au polymère, est comprise entre 0,1 M et 3 M, de préférence entre 0,7 M et 2 M.Preferably, the concentration of salt, present in the mixture (polymer-oxide-salt-carbon), and expressed relative to the polymer, is between 0.1 M and 3 M, preferably between 0.7 M and 2 M .
Une autre famille d'électrodes de l'invention peut être constituée par les électrodes, dans lesquelles le carbone, présent dans le mélange (polymère- oxyde-sel-carbone), est un mélange d'un premier carbone de nature graphite avec une surface spécifique inférieure à 50 m2/g et d'un second carbone de type grande surface non-graphitique dont la surface spécifique est supérieure à 50 m2/g; la surface spécifique est mesurée selon la méthode BET.Another family of electrodes of the invention may be constituted by the electrodes, in which the carbon present in the mixture (polymer- oxide-salt-carbon), is a mixture of a first carbon of graphite nature with a specific surface area of less than 50 m 2 / g and a second carbon of large non-graphitic surface type whose specific surface area is greater than 50 m 2 / g; the specific surface is measured according to the BET method.
Avantageusement, le carbone présent dans l'électrode est de type fibre de carbone VGCF, Ex mésophase, PAN (polyacronitryle).Advantageously, the carbon present in the electrode is of VGCF carbon fiber type, mesophase ex, PAN (polyacronitryl).
De façon préférentielle, dans l'électrode, le sel est dissous dans le polymère et est choisit dans le groupe constitué par LiFSI, LiTFSI, LiBETI, LiPF6 et les mélanges d'au moins deux de ces derniers.Preferably, in the electrode, the salt is dissolved in the polymer and is selected from the group consisting of LiFSI, LiTFSI, LiBETI, LiPF 6 and mixtures of at least two of these.
Un quatrième objet de la présente invention est constitué par les procédés de préparation d'une des électrodes définies dans le troisième objet de la présente invention.A fourth object of the present invention is constituted by the methods for preparing one of the electrodes defined in the third subject of the present invention.
Selon un mode avantageux de réalisation, un mélange liquide oxyde-polymère- sel-carbone peut être épandu sur un collecteur de courant de type métallique par extrusion ou par "Doctor Blade", "slot die", "coma".According to an advantageous embodiment, an oxide-polymer-salt-carbon liquid mixture can be spread on a metal-type current collector by extrusion or by "Doctor Blade", "slot die", "coma".
Selon un mode avantageux de réalisation, le polymère peut être de type à quatre branches avec de préférence au moins deux branches susceptibles de donner lieu à une réticulation, et il est transformé en matrice polymère, éventuellement en présence d'un solvant organique, par réticulation après épandage du mélange sur le support d'électrode.According to an advantageous embodiment, the polymer may be of the four-branch type with preferably at least two branches capable of giving rise to crosslinking, and it is converted into a polymer matrix, optionally in the presence of an organic solvent, by crosslinking. after spreading the mixture on the electrode support.
La réticulation peut avantageusement être conduite sans ajout d'un agent de réticulation autre que l'oxyde métallique.The crosslinking can advantageously be carried out without the addition of a crosslinking agent other than the metal oxide.
Selon une autre variante avantageuse, le polymère peut être de type EG, avec de préférence au moins deux branches susceptibles de donner lieu à une réticulation, et il est transformé en matrice polymère, éventuellement en présence d'un solvant organique, par réticulation après épandage du mélange sur le support d'électrode. Un cinquième objet de la présente invention est constitué par un procédé de préparation de générateurs électrochimiques comportant au moins une anode, au moins une cathode et un électrolyte, dans lequel au moins une des électrodes est telle que définie dans le troisième objet de la présente demande ou telle qu'obtenue par l'un des procédés définis dans le quatrième objet de la présente invention.According to another advantageous variant, the polymer may be of EG type, with preferably at least two branches capable of giving rise to crosslinking, and it is converted into a polymer matrix, optionally in the presence of an organic solvent, by crosslinking after spreading. of the mixture on the electrode support. A fifth object of the present invention is constituted by a method for preparing electrochemical generators comprising at least one anode, at least one cathode and an electrolyte, in which at least one of the electrodes is as defined in the third subject of the present application. or as obtained by one of the methods defined in the fourth subject of the present invention.
Avantageusement, ces procédés peuvent être appliqués à la préparation de générateurs électrochimiques de type générateur de lithium et la cathode épandue peut être introduite dans ledit générateur de lithium avec un polymère sec comme électrolyte, la batterie ne contient aucun solvant liquide.Advantageously, these methods can be applied to the preparation of electrochemical generators of the lithium generator type and the spread cathode can be introduced into said lithium generator with a dry polymer as electrolyte, the battery contains no liquid solvent.
Selon un mode avantageux, ces procédés peuvent être appliqués à la préparation de générateurs électrochimiques dans lesquels l'électrolyte est constitué de la même matière que le liant et que l'enrobage.According to an advantageous embodiment, these processes can be applied to the preparation of electrochemical generators in which the electrolyte is made of the same material as the binder and the coating.
Avantageusement, le procédé peut être utilisé pour la préparation de générateurs électrochimiques dans lesquels l'électrolyte : - est constitué d'une matière différente de celle qui constitue le liant et/ou l'enrobage; et/ouAdvantageously, the process can be used for the preparation of electrochemical generators in which the electrolyte: consists of a material different from that which constitutes the binder and / or the coating; and or
- assure aussi le rôle de séparateur et il est constitué d'un polymère sec qui présente une stabilité électrochimique supérieure à 3,7 Volts; et/oualso acts as a separator and consists of a dry polymer which has an electrochemical stability greater than 3.7 volts; and or
- assure aussi le rôle de séparateur et il est constitué d'un polymère sec qui présente une stabilité électrochimique inférieure à 3,7 Volts.also acts as a separator and consists of a dry polymer which has an electrochemical stability of less than 3.7 volts.
Avantageusement, le procédé peut être utilisé pour la préparation de générateurs électrochimiques dans lesquels :Advantageously, the process can be used for the preparation of electrochemical generators in which:
- l'anode est de type lithium ou alliage de lithium ou carbone, graphite, fibre de carbone, Li4Ti5Oi2, WO2, de préférence lithium métallique ou légèrement allié; et/outhe anode is of lithium or lithium or carbon alloy type, graphite, carbon fiber, Li 4 Ti 5 O 12 , WO 2 , preferably metallic lithium or slightly alloyed lithium; and or
- le lithium est allié avec Al, Sn, carbone, Si, Mg et la teneur de métaux allié est supérieure à 50 ppm, de préférence supérieure à 500 ppm. Un sixième objet de la présente invention est constitué par les générateurs électrochimiques obtenus par mise en œuvre d'un des procédés définis dans le cinquième objet de la présente invention.the lithium is alloyed with Al, Sn, carbon, Si, Mg and the alloy metal content is greater than 50 ppm, preferably greater than 500 ppm. A sixth object of the present invention consists of the electrochemical generators obtained by implementing one of the methods defined in the fifth subject of the present invention.
Une autre famille avantageuse des générateurs de l'invention peut être constituée par ceux comprenant des particules telles que définies dans le premier objet de l'invention ou telles qu'obtenue par mise en œuvre d'un procédé selon le deuxième objet de l'invention.Another advantageous family of the generators of the invention may be constituted by those comprising particles as defined in the first subject of the invention or as obtained by implementing a method according to the second subject of the invention. .
Un septième objet de la présente invention est constitué par l'utilisation d'un générateur, tel que défini dans le sixième objet de la présente invention, dans un véhicule électrique, dans un véhicule hybride, dans les télécommunications, UPS, et dans les dispositifs électrochromes.A seventh object of the present invention is constituted by the use of a generator, as defined in the sixth subject of the present invention, in an electric vehicle, in a hybrid vehicle, in telecommunications, UPS, and in devices electrochromic.
Un huitième objet de la présente invention est constitué par les procédés de réduction de la solubilité des oxydes métalliques dans les systèmes électrochimiques consistant à augmenter le pH de l'oxyde, préférentiellement en choisissant la nature et la quantité du carbone mélangé avec les particules d'oxydes, plus particulièrement en enrobant les particules d'oxyde par un polymère, à base de PEO, polyacrylonitrile, PMMA et/ou PVC solubilisé dans un solvant (acétonitrile, eau, acétone, méthanol ...), puis en séchant la composition et en la carbonisant à une température d'environ 600-7000C, sous une atmosphère inerte pendant 8-12 heures; la quantité et le type du polymère utilisé étant reliés au taux de carbone résiduel présent à la surface des particules de l'oxyde et le mélange oxyde et solution de polymère pouvant être avantageusement réalisé par Jar mill, bar mill, ou mélangeur à peinture.An eighth object of the present invention is constituted by the processes for reducing the solubility of metal oxides in electrochemical systems consisting in increasing the pH of the oxide, preferably by choosing the nature and the quantity of the carbon mixed with the particles of oxides, more particularly by coating the oxide particles with a polymer, based on PEO, polyacrylonitrile, PMMA and / or PVC solubilized in a solvent (acetonitrile, water, acetone, methanol, etc.), then drying the composition and charring at a temperature of about 600-700 0 C, under an inert atmosphere for 8-12 hours; the quantity and type of the polymer used being related to the residual carbon content present at the surface of the particles of the oxide, and the oxide and polymer solution mixture being advantageously produced by Jar mill, mill bar, or paint mixer.
DESCRIPTION BRÈVE DES DESSINSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La Figure 1 illustre le phénomène de dissolution observé pour de petites particules, non enrobées, à base de vanadium oxyde lithié et de formule LiV3O8. La Figure 2 illustre le phénomène de dissolution de grosses particules, non enrobées, à base de vanadium oxyde lithié.Figure 1 illustrates the phenomenon of dissolution observed for small particles, uncoated, based on lithium vanadium oxide and LiV 3 O 8 formula. Figure 2 illustrates the phenomenon of dissolution of large particles, uncoated, based vanadium oxide lithiated.
La Figure 3 illustre le mécanisme de formation général de dendrites, lors de la dissolution d'un oxyde métallique acide dans un système électrochimique de type batterie au lithium polymère solide.Figure 3 illustrates the mechanism of general formation of dendrites, upon the dissolution of an acidic metal oxide in an electrochemical system of the solid polymer lithium battery type.
La Figure 4 visualise le comportement d'une électrode selon l'invention, dans laquelle les particules de l'oxyde métallique ont été enrobées par un polymère stable qui ralentit la dissolution du vanadium dans l'électrode.Figure 4 shows the behavior of an electrode according to the invention, wherein the particles of the metal oxide have been coated with a stable polymer which slows the dissolution of vanadium in the electrode.
La Figure 5 illustre le dispositif utilisé pour détecter le courant d'oxydation d'un oxyde métallique et pour quantifier la limite du voltage de fonctionnement du polymère.Figure 5 illustrates the device used to detect the oxidation current of a metal oxide and to quantify the limit of the operating voltage of the polymer.
La Figure 6 donne les résultats, sous forme de courbes, de la mesure de la stabilité de particules d'oxydes métalliques LiVaOs enrobées respectivement par un polymère polyéther avec un poids moléculaire MW de 70000, dans le premier cas, et par un polymère à 4 branches, dans le deuxième cas.FIG. 6 gives the results, in the form of curves, of the measurement of the stability of metal oxide particles LiVaOs coated respectively with a polyether polymer with a molecular weight MW of 70000, in the first case, and by a polymer with 4 branches, in the second case.
La Figure 7 représente l'évolution de la stabilité chimique du polymère polyéther avec un poids moléculaire MW de 70000, pour un traitement thermique de 1 journée, 3 journées, puis 1 semaine, et 2 semaines.FIG. 7 represents the evolution of the chemical stability of the polyether polymer with a molecular weight MW of 70000, for a heat treatment of 1 day, 3 days, then 1 week, and 2 weeks.
La Figure 8 représentent l'évolution de la stabilité chimique du polymère ERM- 4B qui est un macromonomère à quatre branches, d'un poids moléculaire moyen MW de 10000, d'une viscosité de 3,5 Pa. sec à 250C et caractérisé par un nombre de fonctions acrylate par molécule qui est de 3, pour un traitement thermique d'une durée de 3 jours, les différentes courbes correspondant à des mesures de stabilité réalisées pour un traitement thermique de 1 journée, 3 journées, puis 1 semaine, 2 semaines et à la constatation de la réticulation. La Figure 9 représente l'évolution de la stabilité chimique du polymère EG-2500 commercialisé sous la marque Elexcel, qui est un macromonomère hyperbranché, polyoxyalkylène glycol acrylate dont le nombre de groupe acryl par molécule est de 1 ,5, d'un poids moléculaire moyen MW de 2500 et qui est caractérisé par une viscosité de 0,3 Pa. sec à 25°C, les différentes courbes correspondant à des mesures de stabilité réalisées pour un traitement thermique de 1 journée, 3 journées, puis 1 semaine, et 2 semaines, ainsi qu'à la constatation de la réticulation.Figure 8 show changes in chemical stability of the polymer ERM-4B which is a macromonomer having four branches, of an average molecular weight MW of 10 000, a viscosity of 3.5 Pa. Sec at 25 0 C and characterized by a number of acrylate functions per molecule which is 3, for a heat treatment of a duration of 3 days, the various curves corresponding to stability measurements carried out for a heat treatment of 1 day, 3 days, then 1 week , 2 weeks and the observation of crosslinking. FIG. 9 represents the evolution of the chemical stability of the polymer EG-2500 marketed under the trademark Elexcel, which is a hyperbranched macromonomer, polyoxyalkylene glycol acrylate whose number of acryl groups per molecule is 1.5, of a molecular weight average MW of 2500 and which is characterized by a viscosity of 0.3 Pa. sec at 25 ° C., the various curves corresponding to stability measurements made for a heat treatment of 1 day, 3 days, then 1 week, and 2 weeks, as well as the finding of crosslinking.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES RÉALISATIONS PRÉFÉRÉESDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED ACHIEVEMENTS
Tel qu'utilisé dans le cadre de cette divulgation, l'expression "polymère salé" se dit d'un polymère qui contient un sel tel que le un polymère salé par au moins un sel choisi dans le groupe constitué par les sels de type LiFSI, LiTFSI, LiBETI, LiDCTA, LiBF4 et LiPF6.As used in the context of this disclosure, the term "salt polymer" refers to a polymer that contains a salt such as a polymer salted with at least one salt selected from the group consisting of LiFSI salts. , LiTFSI, LiBETI, LiDCTA, LiBF 4 and LiPF 6 .
Tel qu'utilisé dans le cadre de cette divulgation, l'expression "stabilité électrochimique" correspond à la fenêtre de stabilité du polymère; en dehors de cette fenêtre, le polymère se dégrade.As used in the context of this disclosure, the term "electrochemical stability" corresponds to the window of stability of the polymer; outside this window, the polymer is degraded.
Tel qu'utilisé dans le cadre de cette divulgation, l'expression "polymères à 3 branches" est apparentée, comme illustré dans le document "Relationship between Structural Factor of Gel Electrolyte and Characteristics of Electrolyte and Lithium-ion Polymer Battery Performances" par Hiroe Nakagawa et al., The 44th Symposium in Japan, Nov 4-6, 2003, abstract 3D26, à des polymères à trois branches qui ont la forme d'un peigne à 3 branches. Les 3 branches sensiblement parallèles de ces polymères sont fixées de préférence au centre et aux deux extrémités d'un squelette de petite taille, comportant de préférence 3 atomes, de préférence 3 atomes de carbone, dans la chaîne.As used in this disclosure, the term "3-arm polymers" is related, as illustrated in the document "Relationship between Structural Factor of Gel Electrolyte and Characteristics of Electrolyte and Lithium-ion Polymer Battery Performances" by Hiroe Nakagawa et al., The 44th Symposium in Japan, Nov 4-6, 2003, Abstract 3D26, to three-branched polymers in the form of a 3-limbed comb. The 3 substantially parallel branches of these polymers are preferably attached to the center and both ends of a small skeleton, preferably having 3 atoms, preferably 3 carbon atoms, in the chain.
Dans le cas d'une chaîne à 3 atomes de carbones, chacun de ces atomes est relié à une branche. Parmi ces polymères à 3 branches, et dans le cadre de la présente invention, on préfère ceux qui présentent un poids moléculaire moyen (MW) variant de 1000 à 1000000, plus préférentiellement encore ceux dont le poids moléculaire moyen varie de 5000 à 100000.In the case of a chain with 3 carbon atoms, each of these atoms is connected to a branch. Among these polymers with 3 branches, and in the context of the present invention, those having a mean molecular weight (MW) ranging from 1000 to 1,000,000 are preferred, more preferably those whose average molecular weight ranges from 5,000 to 100,000.
Tel qu'utilisé dans le cadre de cette divulgation, l'expression "polymères à quatre branches" est apparentée à la demande de brevet WO 03/063287 précitée, qui est incorporée par référence à la présente demande, qui décrit une famille préférentielle de polymères à quatre branches.As used in the context of this disclosure, the term "four-branched polymers" is related to the aforementioned patent application WO 03/063287, which is incorporated by reference into the present application, which describes a preferred family of polymers. four branches.
De tels polymères ont la forme d'un peigne à 4 branches. Les 4 branches sensiblement parallèles de ces polymères sont fixées respectivement entre les deux extrémités (de préférence fixées sur la chaîne de façon symétrique) et aux deux extrémités d'une chaîne de petite taille, constitué de préférence d'une chaîne comportant 4 atomes qui sont de préférence 4 atomes de carbone.Such polymers have the form of a comb with 4 branches. The 4 substantially parallel branches of these polymers are respectively fixed between the two ends (preferably fixed to the chain symmetrically) and at both ends of a small chain, preferably consisting of a chain comprising 4 atoms which are preferably 4 carbon atoms.
Dans le cas d'une chaîne à 4 atomes de carbones, chaque atome est relié à une branche.In the case of a chain with 4 carbon atoms, each atom is connected to a branch.
De tels polymères possèdent de préférence des terminaisons hybrides, plus préférentiellement encore des terminaisons hybrides acrylates (de préférence méthacrylate) et alkoxy (de préférence alkoxy avec de 1 à 8 atomes de carbone, plus préférentiellement encore méthoxy ou éthoxy), ou encore vinyl, une branche au moins dudit polymère à quatre branches (et de préférence au moins deux branches) étant susceptible de donner lieu à une réticulation.Such polymers preferably have hybrid termini, more preferably hybrid terminations acrylates (preferably methacrylate) and alkoxy (preferably alkoxy with 1 to 8 carbon atoms, more preferably still methoxy or ethoxy), or vinyl, a branch at least said four-branched polymer (and preferably at least two branches) being capable of giving rise to crosslinking.
De préférence, le polymère à quatre branches est un de ceux définis dans les colonnes 1 et 2 du brevet américain US-A-6, 190,804 précité, qui est incorporé par référence à la présente demande.Preferably, the four-branched polymer is one of those defined in columns 1 and 2 of the aforementioned US-A-6, 190,804, which is incorporated by reference in the present application.
Ce polymère est préférentiellement un polymère en étoile de type polyéther qui possède au moins quatre branches ayant des terminaisons contenant les fonctions suivantes : acrylate ou méthacrylate et alkoxy, allyloxy et/ou vinyloxy, dont au moins une, et de préférence dont au moins deux de ces fonctions sont actives pour permettre une réticulation.This polymer is preferably a polyether star polymer which has at least four branches having terminations containing the following functions: acrylate or methacrylate and alkoxy, allyloxy and / or vinyloxy, at least one, and preferably at least two of these functions are active to allow crosslinking.
D'autres familles de polyéthers dont la masse moléculaire est supérieure ou égale à 30000 sont avantageusement utilisées dan le cadre de la présente invention.Other families of polyethers whose molecular mass is greater than or equal to 30,000 are advantageously used in the context of the present invention.
Selon un autre mode préférentiel de réalisation de la présente invention, le polymère à 4 branches est un polymère tétrafonctionnel de préférence à haut point moléculaire répondant à la formule (I) :According to another preferred embodiment of the present invention, the 4-branched polymer is a tetrafunctional polymer preferably of high molecular point corresponding to formula (I):
R1 R2 R3 R 1 R 2 R 3
I I II I I
— (CH2CHO)m— (CH2CHO)n- CO- C==CH2 - (CH 2 CHO) m - (CH 2 CHO) n - CO- C = CH 2
dans laquelle R1 et R2 représentent chacun un atome d'hydrogène ou un alkyl inférieur (de préférence de 1 à 7 atomes de carbones); R3 représente un atome d'hydrogène ou un groupe méthyl; m et n représentent chacun un entier supérieur ou égal à 0; dans chaque chaîne à haut point moléculaire, m+n > 35; et chacun des groupes R1, R2, R3 et chacun des paramètres m et n peuvent identiques ou différents dans les 4 chaînes à haut point moléculaire.wherein R 1 and R 2 each represent a hydrogen atom or a lower alkyl (preferably 1 to 7 carbon atoms); R 3 represents a hydrogen atom or a methyl group; m and n each represents an integer greater than or equal to 0; in each high molecular point chain, m + n>35; and each of R 1 , R 2 , R 3 and each of the m and n parameters may be the same or different in the 4 high molecular weight chains.
Parmi ces polymères à quatre branches, ceux qui possèdent un poids moléculaire moyen compris entre 1000 et 1000000, plus préférentiellement encore ceux qui ont un poids moléculaire moyen variant de 5000 à 100000 sont particulièrement intéressants.Among these four-branched polymers, those having an average molecular weight of between 1,000 and 1,000,000, more preferably still those having an average molecular weight ranging from 5,000 to 100,000 are particularly interesting.
Selon un autre mode préférentiel, on retient les polyéthers de type étoile d'au moins quatre branches avec une terminaison hybride (acrylate ou méthacrylate et alkoxy, allyloxy, vinyloxy). Son voltage de stabilité est nettement supérieur à 4. Également les polymères vinyliques de type EG et plus particulièrement ceux décrits dans la demande de brevet publiée sous EP-A-1 , 249,461 (Wendel et al.), qui est incorporée par référence à la présente demande, sont d'un intérêt particulier comme matériau de protection. Particulièrement avantageux parmi ces polymères sont ceux dont le poids moléculaire moyen varie de 600 à 2500.According to another preferred embodiment, star-type polyethers of at least four branches with a hybrid termination (acrylate or methacrylate and alkoxy, allyloxy, vinyloxy) are retained. Its stability voltage is much higher than 4. Also the EG-type vinyl polymers and more particularly those described in the patent application published in EP-A-1, 249,461 (Wendel et al.), Which is incorporated by reference in the present application, are of particular interest as protective material. Particularly advantageous among these polymers are those whose average molecular weight ranges from 600 to 2500.
Des polymères de cette famille peuvent avantageusement êtres obtenus en faisant réagir l'oxyde d'éthylène et le propanol-1-époxy-2,3 avec le matériau de départ, ou en faisant réagir le propanol-1-époxy-2,3 avec l'éthylène glycol comme matériau de départ pour produire un composé polymère. Cette étape est suivie par l'introduction de groupes fonctionnels polymérisables et/ou non- polymérisables à chaque extrémité d'un squelette et des chaînes latérales dans le composé polymère résultant.Polymers of this family may advantageously be obtained by reacting ethylene oxide and propanol-1-epoxy-2,3 with the starting material, or by reacting propanol-1-epoxy-2,3 with ethylene glycol as the starting material for producing a polymer compound. This step is followed by the introduction of polymerizable and / or non-polymerizable functional groups at each end of a backbone and side chains into the resulting polymeric compound.
Les composés ayant un ou plusieurs résidus hydrogènes actifs et alkoxyde peuvent aussi être utilisés comme matériaux de départ.Compounds having one or more active hydrogen residues and alkoxide may also be used as starting materials.
Des exemples de résidus hydrogènes actifs pour le composé ayant un ou plusieurs résidus hydrogènes actifs incluent le groupe des hydroxyles, ayant de préférence de 1 à 5 résidus hydrogènes actifs. Des exemples spécifiques des composés ayant un ou plusieurs résidus hydrogènes actifs incluent le monométhyléther de triéthylèneglycol, l'éthylèneglycol, la glycérine, la diglycérine, le pentaérythritol et leurs dérivés.Examples of active hydrogen residues for the compound having one or more active hydrogen residues include the group of hydroxyls, preferably having from 1 to 5 active hydrogen residues. Specific examples of compounds having one or more active hydrogen residues include triethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol, glycerin, diglycerin, pentaerythritol and their derivatives.
Des exemples spécifiques d'alkoxyde incluent aussi CH3ONa, t-BuOK et leurs dérivés.Specific examples of alkoxide also include CH 3 ONa, t-BuOK and their derivatives.
Les composés polymères polyéther de l'invention ont l'unité de structure représentée par la formule (1) ainsi que l'unité de structure représentée par la formule (2) et/ou l'unité de structure représentée par la formule (3). Le nombre d'unités de structure représentée par la formule (1) dans une molécule est de 1 à 22800, plus avantageusement de 5 à 11400, et plus avantageusement encore de 10 à 5700. Le nombre d'unités de structure de la formule (2) ou (3) (mais quand les deux sont incluses, c'est le nombre total) est de 1 à 13600, plus avantageusement de 5 à 6800, et plus avantageusement encore de 10 à 3400 ainsi que dans une molécule.The polyetheric polymer compounds of the invention have the unit of structure represented by the formula (1) as well as the unit of structure represented by the formula (2) and / or the unit of structure represented by the formula (3) . The number of structural units represented by the formula (1) in a molecule is from 1 to 22,800, more preferably from 5 to 11400, and more preferably from 10 to 5700. The number of structural units of the formula ( 2) or (3) (but when both are included, the total number) is 1 to 13,600, more preferably 5 to 6800, and more preferably 10 to 3400 as well as a molecule.
d) (2) (3)d) (2) (3)
CH2O CH2OCH 2 O CH 2 O
II
I II I
— CH2CH2O — — CH2 — - CH - CH- CH 2 CH 2 O - - CH 2 - - CH - CH
I I O — CH2OIIO - CH 2 O
Des exemples de groupes fonctionnels polymérisables introduits à chaque extrémité moléculaire incluent les résidus (méth)acrylates, les groupes allyl et les groupes vinyls, et des exemples de groupes fonctionnels non- polymérisables incluent les groupes alkyl ou les groupes fonctionnels comprenant des atomes de bore.Examples of polymerizable functional groups introduced at each molecular end include (meth) acrylate residues, allyl groups and vinyl groups, and examples of non-polymerizable functional groups include alkyl groups or functional groups comprising boron atoms.
Comme les groupes alkyles ci-dessus, les groupes alkyles ayant de 1 à 6 atomes de carbones sont avantageux, ceux ayant de 1 à 4 atomes de carbones sont plus avantageux, et les groupes méthyles sont spécialement avantageux.Like the above alkyl groups, alkyl groups having 1 to 6 carbon atoms are preferred, those having 1 to 4 carbon atoms are more preferred, and the methyl groups are especially advantageous.
Des exemples de groupes fonctionnels comprenant des atomes de bore incluent ceux représentés par les formules suivantes (4) ou (5) :Examples of functional groups comprising boron atoms include those represented by the following formulas (4) or (5):
(4) (5)(4) (5)
R11 R21 R 11 R 21
/ I — B _ B" - R22 X+ / I - B _ B " - R 22 X +
\ I\ I
R12 R23 R11, et R12 dans la formule (4) et R21, R22, R23 dans la formule (5) peuvent être identiques ou différents, et chacun représente un hydrogène, halogène, alkyle, alkoxy, aryle, alkenyle, alkynyle, aralkyle, cycloalkyle, cyano, hydroxyle, formyle, aryloxy, alkylthio, arylthio, acyloxy, sulfonyloxy, amino, alkylamino, arylamino, carbonamino, oxysulfonylamino, sulfonamide, oxycarbonylamino, ureide, acyle, oxycarbonyle, carbamoyle, sulfonyle, sulfinyle, oxysulfonyle, sulfamoyle, carboxylate, sulfonate, phosphonate, hétérocyclique, -B(Ra) (Rb), - OB(Ra) (Rb) ou OSi(Ra)(Rb)(Rc). (Ra), (Rb) et (R0) représentent chacun un hydrogène, halogène, alkyle, alkoxy, aryle, alkenyle, alkynyle, aralkyle, cycloalkyle, cyano, hydroxyle, formyle, aryloxy, alkylthio, arylthio, acyloxy, sulfonyloxy, amino, alkylamino, arylamino, carbonamino, oxysulfonylamino, sulfonamide, oxycarbonylamino, ureide, acyle, oxycarbonyle, carbamoyle, sulfonyle, sulfinyle, oxysulfonyle, sulfamoyle, carboxylate, sulfonate, phosphonate, hétérocyclique ou dérivés de ceux-ci. R11, et R12 dans la formule (4) et R21, R22, R23 dans la formule (5) peuvent être lié ensemble pour former un anneau, et l'anneau peut avoir des substituants. Chaque groupe peut aussi être substitué par des groupes substituables. De plus, X+ dans la formule (5) représente un ion métallique alcalin, et est avantageusement un ion lithium.R 12 R 23 R 11 , and R 12 in formula (4) and R 21 , R 22 , R 23 in formula (5) may be the same or different, and each represents hydrogen, halogen, alkyl, alkoxy, aryl, alkenyl, alkynyl , aralkyl, cycloalkyl, cyano, hydroxyl, formyl, aryloxy, alkylthio, arylthio, acyloxy, sulfonyloxy, amino, alkylamino, arylamino, carbonamino, oxysulfonylamino, sulfonamide, oxycarbonylamino, ureide, acyl, oxycarbonyl, carbamoyl, sulfonyl, sulfinyl, oxysulfonyl, sulfamoyl , carboxylate, sulfonate, phosphonate, heterocyclic, -B (R a ) (R b ), - OB (R a ) (R b ) or OSi (R a ) (R b ) (R c ). (R a ), (R b ) and (R 0 ) each represent hydrogen, halogen, alkyl, alkoxy, aryl, alkenyl, alkynyl, aralkyl, cycloalkyl, cyano, hydroxyl, formyl, aryloxy, alkylthio, arylthio, acyloxy, sulfonyloxy , amino, alkylamino, arylamino, carbonamino, oxysulfonylamino, sulfonamide, oxycarbonylamino, ureide, acyl, oxycarbonyl, carbamoyl, sulfonyl, sulfinyl, oxysulfonyl, sulfamoyl, carboxylate, sulfonate, phosphonate, heterocyclic or derivatives thereof. R 11 , and R 12 in formula (4) and R 21 , R 22 , R 23 in formula (5) may be bonded together to form a ring, and the ring may have substituents. Each group may also be substituted with substitutable groups. In addition, X + in formula (5) represents an alkali metal ion, and is advantageously a lithium ion.
Les extrémités des chaînes moléculaires dans le polymère polyéther peuvent toutes être des groupes fonctionnels polymérisables, des groupes fonctionnels non-polymérisables, ou peuvent inclure les deux.The ends of the molecular chains in the polyether polymer may all be polymerizable functional groups, non-polymerizable functional groups, or may include both.
Le poids moléculaire moyen (MW) de ce type de composé polymère polyéther n'est pas spécialement limité, mais il est habituellement d'environ 500 à 2 millions, et avantageusement d'environ 1000 à 1 ,5 millions.The average molecular weight (MW) of this type of polyether polymer compound is not especially limited, but is usually about 500 to 2 million, and preferably about 1000 to 1.5 million.
Les polymères de ces familles préférentielles sont par ailleurs avantageusement choisis parmi les polymères qui sont réticulables par ultraviolet, infrarouge, traitement thermique et/ou faisceau d'électron ("EBeam").The polymers of these preferential families are moreover advantageously chosen from polymers which are crosslinkable by ultraviolet, infrared, heat treatment and / or electron beam ("EBeam").
Selon l'invention, il a été découvert de façon inattendue que la nature acide ou basique d'un oxyde métallique influence grandement sa stabilité. Ainsi les oxydes solubles tel que LiV3Oa et V2O5 s'avèrent présenter généralement des pH acides, alors que les oxydes non solubles tels que LiFePO4 et LiCoO2 s'avèrent présenter des pH basiques.According to the invention, it has unexpectedly been discovered that the acidic or basic nature of a metal oxide greatly influences its stability. So the Soluble oxides such as LiV 3 Oa and V 2 O 5 are generally found to have acidic pH, whereas insoluble oxides such as LiFePO 4 and LiCoO 2 are found to have basic pHs.
Le Tableau I montre quelques valeurs de pH pour les oxydes métalliques LiV3O8 et LiCoO2, en présence de quantités variables de carbone, mélangé avec l'oxyde. Le pH a été mesuré par mise en œuvre de la méthode ci-après définie.Table I shows some pH values for metal oxides LiV 3 O 8 and LiCoO 2 , in the presence of varying amounts of carbon, mixed with the oxide. The pH was measured using the method defined below.
Tableau ITable I
Essai Oxyde Ketjen Carbone Temps PH Couleur (%W) (W%) d'échantillonnage pH=10,6 pH=8,2 1 LiV3O8 5 30 4,52 JauneTest Oxyde Ketjen Carbon Time PH Color (% W) (W%) sampling pH = 10.6 pH = 8.2 1 LiV 3 O 8 5 30 4.52 Yellow
2 LiV3O8 3,75 30 4,44 Jaune2 LiV 3 O 8 3.75 30 4.44 Yellow
3 LiV3O8 2,5 2,5 30 5,5 Jaune3 LiV 3 O 8 2.5 2.5 30 5.5 Yellow
4 LiFePO4 5 30 10,1 Incolore4 LiFePO 4 5 30 10.1 Colorless
5 LiFePO4 3,75 30 10,06 Incolore5 LiFePO 4 3.75 30 10.06 Colorless
6 LiFePO4 2,5 2,5 30 10,04 Incolore6 LiFePO 4 2.5 2.5 30 10.04 Colorless
7 LiFePO4 30 9,9 Incolore7 LiFePO 4 30 9.9 Colorless
8 LiCoO2 30 8,6 Incolore8 LiCoO 2 30 8.6 Colorless
Selon l'invention, il a été également découvert qu'un enrobage par un polymère particulier permettait d'améliorer très sensiblement la stabilité des particules d'oxyde métalliques à pH acide.According to the invention, it has also been discovered that a coating with a particular polymer makes it possible to very substantially improve the stability of the metal oxide particles at acidic pH.
En effet, les difficultés rencontrées avec les oxydes métalliques solubles ont été résolues par la méthode ci-après explicitée et qui est conforme à l'idée principale de l'invention qui consiste à enrober la particule d'oxyde métallique stable par un polymère de nature particulière.Indeed, the difficulties encountered with soluble metal oxides have been solved by the method hereinafter explained and which is consistent with the main idea of the invention which consists in coating the stable metal oxide particle with a polymer of nature special.
Ainsi, à titre d'exemple, on protège les particules de LiV3Os en les enrobant d'un polymère chimiquement et/ou électrochimiquement stable dans sa fenêtre électrochimique, soit d'une stabilité électrochimique supérieure ou égale à 3,7 Volts.Thus, by way of example, the LiV 3 Os particles are protected by coating them with a chemically and / or electrochemically stable polymer in their window. electrochemical, with an electrochemical stability greater than or equal to 3.7 volts.
Les polymères utilisés pour réaliser l'enrobage sont de préférence de type polyéther, plus préférentiellement de type multi branches ou hyper branches, en particulier ceux synthétisés par la société DKS et décrits dans le brevet US-A- 6,190,804 qui est incorporé par référence à la présente demande.The polymers used to carry out the coating are preferably of the polyether type, more preferably of the multi branch or hyperbranch type, in particular those synthesized by the company DKS and described in US Pat. No. 6,190,804, which is incorporated by reference in the US Pat. this request.
Ces polymères sont de préférence salés par au mois un sel de type LiFSI, LiTFSI, LiBETI, LiBF4, LiPF6. Pour l'enrobage des particules d'oxyde, on utilise de préférence un mélange (polymère-avec au moins un sel) qui est liquide à température ambiante.These polymers are preferably salted with a salt of LiFSI, LiTFSI, LiBETI, LiBF 4 and LiPF 6 type . For coating the oxide particles, a mixture (polymer with at least one salt) which is liquid at room temperature is preferably used.
Selon un mode avantageux de réalisation de l'invention, l'enrobage des particules d'oxyde métallique se fait par l'une des méthodes suivantes ou par combinaison d'au moins deux des méthodes : "bail milling"; "jar milling"; HEBMAccording to an advantageous embodiment of the invention, the coating of the metal oxide particles is carried out by one of the following methods or by combination of at least two of the methods: "lease milling"; "jar milling"; HEBM
("High Energy Bail Milling"); mécanofusion; en mettant en œuvre le dispositif("High Energy Bail Milling"); mechano; by implementing the device
Nobulta commercialisé par la compagnie Hosokawa, Japon; "Aggolmaster"; etNobulta marketed by the company Hosokawa, Japan; "Aggolmaster"; and
"pebble mill"."pebble mill".
L'enrobage de l'oxyde peut être réalisé par plusieurs méthodes, avec ou sans solvant.The coating of the oxide can be achieved by several methods, with or without a solvent.
Le polymère salé enrobant les particules d'oxyde joue de multiples rôles. Son premier rôle est d'assurer la non dissolution de l'oxyde métallique, tel LiV3Os Son second rôle est celui de liant, entre les particules d'oxyde présentes dans la solution d'épandage de la cathode, par exemple sur un support en aluminium. Le troisième rôle est d'assurer la conductivité ionique du sel, entre les particules, et au travers du séparateur.The salty polymer coating the oxide particles plays multiple roles. Its first role is to ensure the non-dissolution of the metal oxide, such as LiV 3 Os Its second role is that of binder, between the oxide particles present in the cathode spreading solution, for example on a support in aluminium. The third role is to ensure the ionic conductivity of the salt, between the particles, and through the separator.
Les paramètres suivants, relatifs à la nature du polymère utilisé pour réaliser l'enrobage, jouent un rôle important dans la stabilité i.e. dans la faible dissolution de l'oxyde métallique acide : - la stabilité électrochimique;The following parameters relating to the nature of the polymer used to carry out the coating play an important role in the stability ie in the weak dissolution of the acidic metal oxide: - electrochemical stability;
- la stabilité chimique du polymère; et le caractère conducteur ou non conducteur.the chemical stability of the polymer; and the conductive or non-conductive character.
Les différentes méthodes mises en œuvre pour la quantification des différents paramètres des polymères utilisés pour réaliser l'enrobage des particules d'oxyde métallique et pour évaluer la stabilité des particules de l'invention sont ci-après définies.The various methods used for the quantification of the various parameters of the polymers used to carry out the coating of the metal oxide particles and to evaluate the stability of the particles of the invention are hereinafter defined.
Méthode de mesure du pH de l'oxyde métalliqueMethod for measuring the pH of the metal oxide
Le pH de l'oxyde métallique représente la valeur mesurée, à l'aide d'une électrode classique en verre, dans une solution aqueuse de l'oxyde obtenue par dissolution, dans les conditions normales de température et de pression, de 0,15 grammes de l'oxyde dans 10 ce d'eau. On laisse reposer pendant une semaine dans les conditions normales de température, puis on agite juste avant de prendre la mesure avec un appareil OAKTON série 2100, commercialisé par la société OAKTON. Dans le cadre de la présente invention, on classifie comme oxyde métallique acide tout échantillon dont le pH est inférieur à 7.The pH of the metal oxide represents the measured value, using a conventional glass electrode, in an aqueous solution of the oxide obtained by dissolution, under normal conditions of temperature and pressure, of 0.15 grams of the oxide in 10 cc of water. It is allowed to stand for a week under normal temperature conditions, then stirred just before taking the measurement with an OAKTON 2100 series apparatus, marketed by OAKTON. In the context of the present invention, any sample whose pH is less than 7 is classified as acidic metal oxide.
On remarque que la nature et le pourcentage du carbone présent dans le mélange (carbone - oxyde métallique) influence la valeur du pH; celle-ci diffère plus ou moins sensiblement de celle de l'oxyde métallique seul. Ce paramètre peut être utilisé pour améliorer la stabilité des oxydes métalliques.It is noted that the nature and the percentage of the carbon present in the mixture (carbon-metal oxide) influences the value of the pH; it differs more or less substantially from that of the metal oxide alone. This parameter can be used to improve the stability of metal oxides.
Afin de réduire la solubilité et ainsi augmenter le pH de l'oxyde, la méthode particulière suivante de revêtement des particules d'oxyde par du carbone est préférée. La poudre d'oxyde est enrobée par un polymère, à base de PEO, polyacrylonitrile, PMMA et/ou PVC solubilisé dans un solvant (acétonitrile, eau, acétone, méthanol ...). Ensuite la composition est séchée puis carbonisée à une température d'environ 600-7000C sous une atmosphère inerte et pendant 8-12 heures. La quantité du polymère utilisé est reliée au taux de carbone résiduel présent à la surface des particules de l'oxyde. Le mélange oxyde et solution de polymère peut être réalisé par "jar mill", "bail mill", ou mélangeur à peinture.In order to reduce the solubility and thus increase the pH of the oxide, the following particular method of coating the oxide particles with carbon is preferred. The oxide powder is coated with a polymer based on PEO, polyacrylonitrile, PMMA and / or PVC solubilized in a solvent (acetonitrile, water, acetone, methanol, etc.). Then the composition is dried and then carbonized at a temperature of about 600-700 0 C under an inert atmosphere and for 8-12 hours. The amount of the polymer used is related to the residual carbon content present at the surface of the particles of the oxide. The mixture oxidizes and Polymer solution can be achieved by "mill jar", "mill lease", or paint mixer.
Il a été mis en évidence que les oxydes solubles présentent généralement des pH acides, alors que les oxydes non solubles tels que LiFePO4 et LiCoO2 présentent des pH basiques.It has been demonstrated that soluble oxides generally have acidic pH, while insoluble oxides such as LiFePO 4 and LiCoO 2 have basic pH.
Il a été également découvert que l'instabilité marquée constatée pour les oxydes métalliques à caractère acide, présents dans des systèmes électrochimiques, se concrétise par une migration de l'espèce soluble jusqu'à l'anode tout en traversant l'électrolyte et les films de passivation positionnés sur l'anode.It has also been discovered that the marked instability observed for acidic metal oxides, present in electrochemical systems, is materialized by a migration of the soluble species to the anode while passing through the electrolyte and the films passivation positioned on the anode.
Ce phénomène négatif de dissolution de l'oxyde métallique et de formation de dendrites réduit considérablement les propriétés physico-chimiques des films de passivation. Ce phénomène est visualisé dans la Figure 3 qui montre le fonctionnement de la pile et le schéma de lithium métal non contaminé. Cette conclusion est directement dérivée des résultats expérimentaux de XPS ("X-This negative phenomenon of dissolving the metal oxide and forming dendrites considerably reduces the physico-chemical properties of the passivation films. This phenomenon is visualized in Figure 3 which shows the operation of the battery and the pattern of uncontaminated lithium metal. This conclusion is directly derived from the experimental results of XPS ("X-
Ray-Photoelectron Spectroscopy"), après dissolution de vanadium qui migre à travers l'électrolyte solide polymère (SPE).Ray-Photoelectron Spectroscopy "), after dissolution of vanadium that migrates through the solid polymer electrolyte (SPE).
La Figure 3 illustre notamment le mécanisme de formation général de dendrites, lors de la dissolution d'un oxyde métallique acide dans un système électrochimique de type batterie au lithium polymère solide. SPE signifie Solid Polymer Electrolyte et SEI signifie Solid Electrolyte Interface (film de passivation). Les particules d'oxyde métallique, initialement présentes uniquement dans la cathode, ont sensiblement diminué de taille au cours des 50 premiers cyclages et ont partiellement migré dans le SPE et dans l'anode de lithium. Après 100 cyclages, des dendrites de l'oxyde se sont formées. Ces dendrites s'étendent du lithium métallique au séparateur de lithium, tout en perçant l'électrolyte. Les références utilisées dans la Figure 3 sont : 2 pour lithium (négative), 4 pour SPE ("Solid Polymer Electrolyte" - séparateur), 6 pour carbone, 8 pour oxyde de vanadium, 10 pour Li2O, 12 pour Li2CO3, 14 pour dendrite et 16 pour cathode.FIG. 3 illustrates, in particular, the mechanism for the general formation of dendrites during the dissolution of an acid metal oxide in an electrochemical system of the solid polymer lithium battery type. SPE stands for Solid Polymer Electrolyte and SEI stands for Solid Electrolyte Interface (passivation film). The metal oxide particles, initially present only in the cathode, significantly decreased in size during the first 50 cycles and partially migrated into the SPE and the lithium anode. After 100 cycles, dendrites of the oxide were formed. These dendrites extend from lithium metal to lithium separator, while piercing the electrolyte. The references used in Figure 3 are: 2 for lithium (negative), 4 for SPE ("Solid Polymer Electrolyte" - separator), 6 for carbon, 8 for vanadium oxide, 10 for Li 2 O, 12 for Li 2 CO 3 , 14 for dendrite and 16 for cathode.
Un métal de l'oxyde soluble réagit avec le lithium du film de passivation pour le rendre conducteur électronique et augmente son épaisseur. La formation de dendrites peut résulter dans le perçage du SPE. Et, lorsque les dendrites atteignent une certaine taille, elles peuvent toucher la cathode en créant ainsi un court circuit qui fait mourir la batterie.A metal of the soluble oxide reacts with the lithium of the passivation film to make it an electronic conductor and increases its thickness. The formation of dendrites can result in the drilling of the SPE. And, when the dendrites reach a certain size, they can touch the cathode thus creating a short circuit that causes the battery to die.
Les mesures réalisées avec une batterie Lithium polymère de type laboratoire de 4 cm2 de surface montrent que, lors du cyclage, en particulier à un courant élevé supérieur à C/1 (décharge en 1 heure), aucune dissolution ne se manifeste pour les oxydes non solubles qui sont à caractère basique, alors qu'au même courant les oxydes solubles se dissolvent.Measurements carried out with a 4 cm 2 laboratory type Lithium polymer battery of surface show that, during the cycling, in particular with a high current higher than C / 1 (discharge in 1 hour), no dissolution is manifested for the oxides non-soluble, which are basic in nature, whereas in the same stream the soluble oxides dissolve.
Méthode de mesure de la stabilité électrochimique l'oxyde métalliqueMethod of measuring the electrochemical stability the metal oxide
Cette stabilité est mesurée par la méthode mise au point par le déposant à l'aide du dispositif représenté dans la Figure 3. Un Mac pile est utilisé avec un mode potentiostatique pour caractériser les matériaux en stabilité électrochimique. Il s'agit d'un test de cyclovoltamétrie lente. On considère lorsque la vitesse de balayage est de 10 mV/h que le matériau se trouve toujours à son état thermodynamique stable. Les pics de courant générés se trouvent donc dans des régions où il n'y a pas d'activité électrochimique. La dégradation du matériau se trouve dans des régions où il n'y a pas d'activité électrochimique du matériau. La dégradation peut s'intensifier, en fonction du voltage, pour former un mur électrochimique non réversible.This stability is measured by the method developed by the applicant using the device shown in Figure 3. A Mac battery is used with a potentiostatic mode to characterize materials in electrochemical stability. This is a slow cyclovoltametry test. When the scanning speed is 10 mV / h, the material is considered to be in its stable thermodynamic state. The current peaks generated are therefore in regions where there is no electrochemical activity. The degradation of the material is in regions where there is no electrochemical activity of the material. The degradation can intensify, depending on the voltage, to form a non-reversible electrochemical wall.
Une courbe de dégradation du polymère est représentée par la Figure 6. Le début du mur d'oxydation exprime la limite de stabilité du polymère. C'est grâce à l'électrode de carbone de haute surface spécifique, tel que Ketjen ou Shawinigan, que la stabilité électrochimique peut facilement être mesurée et la dégradation du polymère détectée. Méthode de mesure de la stabilité électrochimique d'un polymèreA degradation curve of the polymer is shown in FIG. 6. The beginning of the oxidation wall expresses the limit of stability of the polymer. It is thanks to the high surface area carbon electrode, such as Ketjen or Shawinigan, that the electrochemical stability can easily be measured and the polymer degradation detected. Method for measuring the electrochemical stability of a polymer
Pour détecter la limite du voltage de fonctionnement du polymère avec le courant d'oxydation, on utilise la méthode électrochimique qui est déjà utilisée dans la demande internationale publiée sous WO/2003/063287 (qui est incorporée par référence à la présente demande), au nom d'Hydro-Québec, et on la met en oeuvre à l'aide du dispositif représentée dans la Figure 5.To detect the limit of the operating voltage of the polymer with the oxidation current, one uses the electrochemical method which is already used in the international application published under WO / 2003/063287 (which is incorporated by reference in the present application), the name Hydro-Quebec, and it is implemented using the device shown in Figure 5.
La Figure 5 illustre le dispositif utilisé pour détecter le courant d'oxydation d'un oxyde métallique et pour quantifier la limite du voltage de fonctionnement du polymère. Les références utilisées dans la Figure 5 sont : 28 pour lithium, 30 pour SPE, 32 pour carbone de Shawinigan et 34 pour liant (polymère à 4 branches).Figure 5 illustrates the device used to detect the oxidation current of a metal oxide and to quantify the limit of the operating voltage of the polymer. The references used in FIG. 5 are: 28 for lithium, 30 for SPE, 32 for Shawinigan carbon and 34 for binder (4-branched polymer).
La cathode utilisée pour les mesures est un composite de polymère et de carbone à grande surface épandu sur un collecteur de courant en aluminium. Grâce à la surface développée par le carbone, ce matériau joue le rôle de détecteur et peut déceler n'importe quel courant d'oxydation avec une intensité aussi faible qu'environ 2 microampères. L'électrolyte sous forme solide ou sous forme liquide, imbibée dans une membrane de type polyoléfine microporeuse, comme le Celgard®, est stable à haut voltage.The cathode used for the measurements is a polymer and carbon composite with a large surface area spread on an aluminum current collector. Thanks to the surface developed by carbon, this material acts as a detector and can detect any oxidation current with an intensity as low as about 2 microamperes. The electrolyte in solid form or in liquid form, soaked in a microporous polyolefin membrane, such as Celgard ® , is stable at high voltage.
L'anode est composée de lithium métallique qui sert comme électrode de référence et comme contre-électrode.The anode is composed of metallic lithium which serves as reference electrode and as counter-electrode.
La méthode électrochimique utilisée est la cyclovoltamétrie lente mise en œuvre avec une vitesse de balayage de 10 mV/h. Cette méthode illustre le courant d'oxydation en fonction du voltage : à chaque fois que le courant se rapproche de zéro, le voltage de fonctionnement du polymère est stable. La valeur de la stabilité électrochimique est définie comme la valeur de la tension appliquée au système lorsque l'on observe le changement brusque dans la courant/voltage (I fonction de V).The electrochemical method used is the slow cyclovoltametry implemented with a scanning speed of 10 mV / h. This method illustrates the oxidation current as a function of the voltage: each time the current approaches zero, the operating voltage of the polymer is stable. The value of the electrochemical stability is defined as the value of the voltage applied to the system when one observes the abrupt change in the current / voltage (I function of V).
Modèle de la stabilité chimique comme test préliminaire de la stabilité électrochimique du polymère d'enrobageChemical stability model as a preliminary test of the electrochemical stability of the coating polymer
La stabilité du polymère utilisé en tant qu'électrolyte dans la cathode est déterminée par la préparation d'un échantillon de solution d'épandage contenant l'oxyde, le polymère, le sel et le solvant d'épandage. Un échantillon de cette solution est prélevé (0,3 grammes) et mis dans une bouteille échantillon de 40 ml, le solvant est alors évaporé en mettant les divers échantillons sous vide durant une nuit. Les bouteilles-échantillon sont scellées, sous une atmosphère d'argon, puis transférées dans une étuve pour un traitement à 800C. Un suivi de la stabilité du polymère en fonction du temps a été effectué en dissolvant la cathode dans le THF, puis en l'injectant après filtration dans un système GPC afin de déterminer la masse moléculaire et la polydispersité du polymère extrait. Ces résultats sont par la suite comparés avec les résultats d'un polymère n'ayant subi aucun traitement thermique.The stability of the polymer used as the electrolyte in the cathode is determined by the preparation of a sample of spreading solution containing the oxide, the polymer, the salt and the spreading solvent. A sample of this solution is taken (0.3 grams) and put in a 40 ml sample bottle, the solvent is then evaporated by vacuuming the various samples overnight. The sample bottles are sealed, under an argon atmosphere, then transferred to an oven for treatment at 80 ° C. A monitoring of the stability of the polymer as a function of time was carried out by dissolving the cathode in THF, then by injecting it after filtration in a GPC system to determine the molecular weight and polydispersity of the extracted polymer. These results are subsequently compared with the results of a polymer that has not undergone any heat treatment.
Les résultats sont présentés, dans les Figures 7 à 9, sous forme de courbes GPC comparative. La Figure 7 présente l'évolution de la masse moléculaire d'un polymère standard en fonction du temps, après traitement thermique. Cette figure démontre qu'après moins de deux heures, à 800C, en présence d'oxyde de vanadium en OCV (open circuit voltage) à 3,55 Volts, le polymère amorce une dégradation significative. Cette dégradation se poursuit jusqu'à ce que le polymère soit totalement dégradé. Cette étape est atteinte en moins de 2 jours.The results are shown in Figures 7 to 9 as comparative GPC curves. Figure 7 shows the evolution of the molecular weight of a standard polymer as a function of time, after heat treatment. This figure shows that after less than two hours, at 80 ° C., in the presence of open circuit voltage (OCV) vanadium oxide at 3.55 volts, the polymer initiates a significant degradation. This degradation continues until the polymer is completely degraded. This step is reached in less than 2 days.
Les Figures 8 et 9 présentent l'évolution de la masse moléculaire de nouveaux polymères (respectivement le ERM-4B et le EG-2500) dans les mêmes conditions de dégradation. Ces figures démontrent, pour ces deux polymères, que les échantillons de cathodes extraits demeurent stables pour une période de plus de 2 heures, à 800C. Par la suite, on observe une diminution du taux d'extraction bien que la masse moléculaire et la polydispersité de l'extrayant demeurent stables. Après plus de 3 jours ERM-4Branches (aussi appelé 4 branches) et d'une journée respectivement pour le EG-2500, les polymères sont totalement réticulés et ne présentent aucun signe de dégradation. Seul les sous-produits liés à la réaction de réticulation sont alors extraits et analysés par GPC.Figures 8 and 9 show the evolution of the molecular weight of new polymers (respectively ERM-4B and EG-2500) under the same conditions of degradation. These figures demonstrate, for these two polymers, that the extracted cathode samples remain stable for a period of more than 2 hours, at 80 ° C. Subsequently, a decrease in the Although the molecular weight and polydispersity of the extractor remain stable. After more than 3 days ERM-4Branches (also called 4 branches) and one day respectively for the EG-2500, the polymers are fully crosslinked and show no signs of degradation. Only the by-products related to the crosslinking reaction are then extracted and analyzed by GPC.
Par ces analyses de stabilité, effectuées à plusieurs températures, il est possible de conclure que les nouveaux polymères du type ERM-4B ou EG-2500 sont nettement plus stable à l'oxydation qu'un oxyde de vanadium et, qu'avec le temps, il est possible de réticuler in-situ ces électrolytes, dans la cathode, et que ce réseau demeure stable sur plusieurs semaines à haute température (80 ou 1100C).By these stability analyzes, carried out at several temperatures, it is possible to conclude that the new polymers of the ERM-4B or EG-2500 type are considerably more stable to oxidation than a vanadium oxide and, with time it is possible to crosslink in situ these electrolytes, in the cathode, and that this network remains stable over several weeks at high temperature (80 or 110 0 C).
En conclusion, on considérera qu'un polymère est stable chimiquement si la diminution de son poids moléculaire, après avoir été soumis à un traitement thermique à 800C pendant 1 jour, n'a pas diminué de plus de 10 %.In conclusion, it will be considered that a polymer is chemically stable if the decrease in its molecular weight, after having been subjected to a heat treatment at 80 ° C. for 1 day, has not decreased by more than 10%.
On considère, dans ces conditions, qu'un polymère est très stable si la diminution de son poids moléculaire est inférieure à 5 % dans les mêmes conditions.Under these conditions, it is considered that a polymer is very stable if the decrease in its molecular weight is less than 5% under the same conditions.
On considère, comme extrêmement stable, un polymère dont la diminution de poids moléculaire, après avoir été soumis à un traitement thermique à 8O0C pendant 3 semaines, n'a pas diminué de plus de 5 %.An extremely stable polymer is considered to be one in which the reduction in molecular weight, after having been subjected to heat treatment at 80 ° C. for 3 weeks, has not decreased by more than 5%.
Les polymères stables chimiquement, préférentiellement les polymères moyennement stables et plus préférentiellement ceux qui sont classifiés, selon ce test, comme très stables sont avantageusement utilisés dans le cadre de la présente invention pour constituer l'enrobage des particules d'oxydes métalliques solubles. Définition du taux de solubilité d'un oxyde métallique présent dans la cathode d'un système électrochimiqueThe chemically stable polymers, preferably the moderately stable polymers and more preferably those classified, according to this test, as being very stable are advantageously used in the context of the present invention to constitute the coating of the soluble metal oxide particles. Definition of the solubility rate of a metal oxide present in the cathode of an electrochemical system
Dans le cadre de la présente invention, on appelle taux de solubilité (ts) de l'oxyde métallique, à temps fixe, le pourcentage de particules d'oxyde métallique initialement présentes dans la cathode qui migrent vers l'électrolyte et vers l'anode.In the context of the present invention, the solubility rate (ts) of the metal oxide, at a fixed time, is the percentage of metal oxide particles initially present in the cathode that migrate to the electrolyte and to the anode. .
Un exemple de mise en œuvre de la méthode pour la mesure du taux de solubilité de l'oxyde de vanadium et de la méthode de calcul du taux de dissolution de vanadium est donné ci-après.An example of implementation of the method for measuring the solubility rate of vanadium oxide and the method of calculating the vanadium dissolution rate is given below.
Une vue en section d'une batterie de lithium (Lithium/SPE/Cathode) est observée au microscope avant cyclage et après cyclage.A sectional view of a lithium battery (Lithium / SPE / cathode) is observed under the microscope before cycling and after cycling.
Avant cyclage - grâce au EDX (Énergie Dispersive des rayons X) couplé sur un microscope électronique à balayage qui trace la carte ("mapping") de la surface de l'élément vanadium dans la cathode. Cette surface est considérée comme la référence 100 % et lorsque on analyse la carte de vanadium sur le séparateur (SPE) et le lithium, aucune trace ou surface de vanadium n'est détectée. On parle de 0 % de vanadium dissous.Before cycling - thanks to EDX (Energy Dispersive X-rays) coupled on a scanning electron microscope that maps the map ("mapping") of the surface of the vanadium element in the cathode. This surface is considered as 100% reference and when analyzing the vanadium map on the separator (SPE) and lithium, no vanadium trace or surface is detected. We speak of 0% dissolved vanadium.
Après Cyclage - La surface de la carte ("mapping") de vanadium sur le SPE et le lithium est de 5 %, c'est à dire qu'avant cyclage, la carte de vanadium de la cathode correspond à une surface de 15 cm * 15 cm = 225 cm2. Après cyclage la surface de vanadium trouvée sur le SPE et la surface du Lithium est de 11 , 5 cm2.After Cycling - The surface of the map ("mapping") vanadium on the SPE and lithium is 5%, ie before cycling, the vanadium map of the cathode corresponds to a surface of 15 cm * 15 cm = 225 cm 2 . After cycling the vanadium surface found on the SPE and the Lithium surface is 11.5 cm 2 .
Ce comptage permet d'évaluer le taux de vanadium qui est équivalent à 5 % de vanadium dissous. Définition du critère de conductivité et/ou de non conductivité d'un polymèreThis count makes it possible to evaluate the level of vanadium which is equivalent to 5% of dissolved vanadium. Definition of the conductivity and / or non-conductivity criterion of a polymer
La conductivité électrique d'une substance, aussi appelée aptitude d'une surface à conduire un courrant électrique, est définie comme étant l'inverse de la résistivité : σ = 1/p. Comme l'intensité du champ électrique dans le matériau s'exprime par la relation E=V/L, la loi d'Ohm peut s'écrire en termes de densité de courant par la formule J= σE. On considère comme métaux conducteurs ceux dont le σ >105 (Ω.m)'1. On considère comme matériaux semi-conducteurs ceux qui vérifient la relation : 10*6< σ < 105 (Ω.m)"1. On considère comme matériaux isolants ceux vérifiant la relation σ <10"6 (Ω .m)"1.The electrical conductivity of a substance, also called the ability of a surface to conduct an electrical current, is defined as the inverse of the resistivity: σ = 1 / p. As the intensity of the electric field in the material is expressed by the relation E = V / L, Ohm's law can be written in terms of current density by the formula J = σE. Conductive metals are those whose σ> 10 5 (Ω.m) '1 . We consider as semiconductor materials those which verify the relation: 10 * 6 <σ <10 5 (Ω.m) "1. We consider as insulating materials those satisfying the relation σ <10 " 6 (Ω .m) "1 .
Dans le cadre de la présente invention on classifie comme polymères conducteurs ceux qui ont une conductivité supérieure à 10"5 (Ω.m)"1 et comme polymères non conducteurs ceux qui ont une conductivité inférieure ou égale à 10"6 (Ω.m)-1.In the context of the present invention is classified as conductive polymers those having a conductivity greater than 10 "5 (Ω.m)" 1 and as non-conductive polymers those having a conductivity of less than or equal to 10 "6 (Ω.m ) - 1 .
Paramètres de fabrication de générateurs électrochimiques incorporant des particules d'oxyde métallique enrobées de l'inventionParameters for the Manufacture of Electrochemical Generators Incorporating Encased Metal Oxide Particles of the Invention
Le générateur ou batterie électrochimique est formé d'au mois 3 films, jouant respectivement le rôle d'anode, d'électrolyte et de cathode.The generator or electrochemical battery is formed of at least 3 films, respectively playing the role of anode, electrolyte and cathode.
Anode - II s'agit d'un film de lithium ou de lithium allié, ou de lithium carbone. De préférence le film est de lithium.Anode - This is a film of lithium or lithium alloy, or lithium carbon. Preferably the film is lithium.
Électrolyte (SPE) - II s'agit d'un film polymère sec sans aucun solvant. Sa nature dépend de l'oxyde de la cathode.Electrolyte (SPE) - This is a dry polymer film without any solvents. Its nature depends on the oxide of the cathode.
Pour les oxydes opérant de 1 à 3,6 VoltsFor oxides operating from 1 to 3.6 volts
Ce cas correspond au voltage lié au potentiel à la mi-décharge/100 heures, le voltage d'opération de l'oxyde est relié au potentiel à la mi-décharge en C/100 (décharge en 100 heures). À titre d'exemple : Li4Ti5Oi2 (1 ,5 Volts), LiV3O8 (2,55 Volts). Dans ce cas le SPE peut être de la même nature que le polymère enrobant, ou de nature différente, c'est à dire caractérisé par une stabilité inférieure ou égale à 3,7 volts.This case corresponds to the potential voltage at mid-discharge / 100 hours, the operating voltage of the oxide is connected to the potential at mid-discharge in C / 100 (discharge in 100 hours). For example: Li 4 Ti 5 Oi 2 (1.5 Volts), LiV 3 O 8 (2.55 Volts). In this case, the SPE may be of the same nature as the coating polymer, or of a different type, ie characterized by a stability of less than or equal to 3.7 volts.
Pour les oxydes opérant de 3 et 5 VoltsFor oxides operating from 3 to 5 volts
Dans ce cas, le SPE doit préférablement être de la même nature que le polymère enrobant l'oxyde : par exemple LiCoO2 (3,6 Volts) et/ou LiFePo4 (3,5 Volts).In this case, the SPE should preferably be of the same nature as the polymer coating the oxide: for example LiCoO 2 (3.6 volts) and / or LiFePo 4 (3.5 volts).
Cathode - Elle est formée d'un oxyde soluble ou non soluble, de préférence l'oxyde est soluble avec un enrobage de type polymère stable d'une stabilité électrochimique supérieure ou égale à 3,7 Volts.Cathode - It is formed of a soluble or non-soluble oxide, preferably the oxide is soluble with a stable polymeric coating of electrochemical stability greater than or equal to 3.7 volts.
Le liant peut être de la même nature que l'enrobant de l'oxyde, lorsque le potentiel de l'oxyde varie de 3 à 5 Volts.The binder can be of the same nature as the coating of the oxide, when the potential of the oxide varies from 3 to 5 volts.
EXEMPLESEXAMPLES
Les exemples suivants sont donnés à titre purement illustratif et ne sauraient être interprétés comme constituant une quelconque limitation des objets de la présente invention.The following examples are given purely by way of illustration and can not be interpreted as constituting any limitation of the objects of the present invention.
Le tableau I ci-dessus résume les paramètres de préparation des particules selon les exemples 1 à 11 qui suivent.Table I above summarizes the preparation parameters of the particles according to Examples 1 to 11 which follow.
Exemple 1Example 1
Un mélange de carbone de Shawinigan (0,91 grammes), avec un polymère polyéther P70 avec un MW de 70 000 (2,63 grammes) et avec un sel de LiTFSI (0,78 grammes), est préparé. Ce mélange de 3 composants est ajouté à 27,3 ml d'acétonitrile, le tout est homogénéisé dans un Jar Milling pendant 24 heures.A mixture of Shawinigan carbon (0.91 grams), with a polyether polymer P70 with a MW of 70,000 (2.63 grams) and with a LiTFSI salt (0.78 grams), is prepared. This mixture of 3 components is added to 27.3 ml of acetonitrile, the whole is homogenized in a Jar Milling for 24 hours.
La solution est épandue sur un support d'aluminium d'une épaisseur de 17 μm par mise en œuvre de la méthode du Doctor Blade. L'électrode ainsi préparée est séchée sous vide à 9O0C, pendant 24 heures. Une électrode de 37 micromètres d'épaisseur est obtenue. Cette électrode est nommée P70-carb1.The solution is spread on a 17 μm thick aluminum support using the Doctor Blade method. The electrode thus prepared is dried under vacuum at 90 ° C. for 24 hours. An electrode 37 microns thick is obtained. This electrode is named P70-carb1.
Un mélange de carbone de Shawinigan (0,73 grammes), avec un polymère 4 branches Elexcel TA210 (2,06 grammes) et avec un sel de LiTFSI (0,58 grammes), est préparé. Les 3 composants du mélange sont alors mélangés à 28,9 ml d'acétonitrile. Puis le mélange est homogénéisé dans un "jar milling" pendant 24 heures.A mixture of Shawinigan carbon (0.73 grams), Elexcel TA210 4-spoke polymer (2.06 grams) and LiTFSI salt (0.58 grams) was prepared. The 3 components of the mixture are then mixed with 28.9 ml of acetonitrile. Then the mixture is homogenized in a "milling jar" for 24 hours.
La solution est épandue sur un support d'aluminium à l'aide de la méthode de Doctor Blade. L'électrode obtenue sera séchée sous vide à 900C. L'épaisseur de cette électrode est de 35 microns. Cette électrode est nommée 4B-carb1.The solution is spread on an aluminum support using the Doctor Blade method. The electrode obtained will be dried under vacuum at 90 ° C. The thickness of this electrode is 35 microns. This electrode is named 4B-carb1.
La batterie est montée comme suit : - Lithium / électrolyte 1 / 4B - carbone 1 = CeI1 1 - Lithium / électrolyte 2 /P70 - carbone 1 = CeII 2The battery is mounted as follows: - Lithium / Electrolyte 1 / 4B - Carbon 1 = CeI1 1 - Lithium / Electrolyte 2 / P70 - Carbon 1 = CeII 2
Le lithium est constitué d'un film d'épaisseur 55 microns. L'électrolyte 1 est de nature 4 branches avec une épaisseur de 20 micromètres. L'électrolyte 2 est de nature P70 avec une épaisseur de 20 micromètres.Lithium consists of a 55 micron thick film. The electrolyte 1 is of 4 branches nature with a thickness of 20 microns. The electrolyte 2 is of a P70 nature with a thickness of 20 microns.
Les batteries CeIM et Cell2 sont mises dans une étuve à 8O0C et connectées à un Mac Pile en mode potentiostatique. Une cyclovoltamétrie lente est appliquée au CeIH et Cell2, avec une vitesse de balayage de 10 mV/h.The CeIM and Cell2 batteries are put in an oven at 80 ° C. and connected to a Mac Pile in potentiostatic mode. Slow cyclovoltametry is applied to CeIH and Cell2, with a scan rate of 10 mV / hr.
La batterie CeIM montre que le polymère 4 branches (Figure 6) est stable, jusqu'à un voltage de 4,1 Volts. La batterie Cell2 montre que le polymère P70 (Figure 6) présente une faible vague de dégradation autours de 3,3-3,6 Volts qui est suivie d'un premier pic de dégradation vers 3,74 Volts.The CeIM battery shows that the 4-branch polymer (Figure 6) is stable, up to a voltage of 4.1 volts. The Cell2 battery shows that the polymer P70 (FIG. 6) has a slight degradation wave around 3.3-3.6 volts, which is followed by a first peak of degradation at 3.74 volts.
Exemple 2 - avec polymère P70Example 2 - with polymer P70
8,04 grammes de LiV3O8, 0,43 grammes de carbone Ketjen, 325 grammes de polymère P70 et 0,90 grammes de LiTFSI et 27 ml d'acétonitrile sont mélangés dans un "jar milling", pendant 24 heures, après évaporation du solvant. Les résultats sont présentés dans la Figure 7 sous forme de courbe GPC comparative. La Figure 7 présente l'évolution de la masse moléculaire du polymère, en fonction de la durée du traitement thermique. Cette figure démontre qu'à partir de deux heures à 800C, en présence d'oxyde de vanadium à 3,55 Volts, le polymère amorce une dégradation significative. Cette dégradation se poursuit jusqu'à ce que le polymère soit complètement dégradé, ce qui est finalement atteint en moins de 2 semaines.8.04 grams of LiV 3 O 8 , 0.43 grams of Ketjen carbon, 325 grams of P70 polymer and 0.90 grams of LiTFSI and 27 ml of acetonitrile are mixed in a "jar milling" for 24 hours after evaporation of the solvent. The results are shown in Figure 7 as a comparative GPC curve. Figure 7 shows the evolution of the molecular weight of the polymer, as a function of the duration of the heat treatment. This figure demonstrates that from two hours at 80 ° C., in the presence of 3.55 V vanadium oxide, the polymer initiates a significant degradation. This degradation continues until the polymer is completely degraded, which is finally achieved in less than 2 weeks.
Exemple 3 - avec polymère 4 branchesExample 3 - with polymer 4 branches
8 grammes de LiV3O8, 0,42 grammes de carbone Ketjen, 3,25 grammes de polymères 4 branches et 0,90 grammes de LiTFSI sont mélangés avec 27 ml d'acétonitrile, pendant 24 heures, dans un "jar milling".8 grams of LiV 3 O 8 , 0.42 grams of Ketjen carbon, 3.25 grams of 4-branched polymers and 0.90 grams of LiTFSI are mixed with 27 ml of acetonitrile for 24 hours in a "jar milling". .
Après évaporation à 800C de l'acétonitrile, les mesures réalisées sur le mélange de particules, et qui sont rapportées dans la Figure 8, mettent en évidence l'évolution de la masse moléculaire de nouveaux polymères 4B, dans les mêmes conditions de dégradation que dans l'exemple 2.After evaporation at 80 ° C. of acetonitrile, the measurements carried out on the mixture of particles, which are reported in FIG. 8, demonstrate the evolution of the molecular weight of new polymers 4B, under the same degradation conditions. than in Example 2.
La Figure démontre, pour ce polymère, que les échantillons de cathodes extraits demeurent stables pour une période de plus de 2 heures, à 80°C. Par la suite, on observes une diminution du taux d'extraction, et ce, bien que la masse moléculaire et la polydispersité de l'extrayant demeurent stables. Après plus de 3 jours, le ERM-4B est totalement réticulé et ne présente aucun signe de dégradation.The figure demonstrates for this polymer that the extracted cathode samples remain stable for a period of more than 2 hours at 80 ° C. Subsequently, a decrease in the extraction rate is observed, although the molecular weight and the polydispersity of the extractant remain stable. After more than 3 days, ERM-4B is fully crosslinked and shows no sign of degradation.
Seuls les sous-produits liés à la réaction de réticulation sont alors extraits et analysés par GPC.Only the by-products related to the crosslinking reaction are then extracted and analyzed by GPC.
Exemple 4 - avec polymère EG 2500Example 4 - with polymer EG 2500
8 grammes de LiV3O8, 0,43 grammes de carbone Ketjen, 3,25 grammes de polymère EG-2500 et 0,90 grammes de LiTFSI, sont mélangés avec 27 ml d'acétonitrile dans un Jar Milling, pendant 24 heures.8 grams of LiV 3 O 8 , 0.43 grams of Ketjen carbon, 3.25 grams of EG-2500 polymer and 0.90 grams of LiTFSI are mixed with 27 ml of acetonitrile in a Jar Milling for 24 hours.
Après évaporation de l'acétonitrile à 8O0C, les mesures réalisées et rapportées dans la Figure 8 mettent en évidence l'évolution de la masse moléculaire du polymère EG-2500, dans les mêmes conditions de dégradation que les exemples 2 et 3. La figure démontre par ailleurs, pour ce polymère, que les échantillons de cathodes extraits demeurent stables pour une période de plus de 2 heures à 8O0C. Par la suite, on observe une diminution du taux d'extraction et ce, bien que la masse moléculaire et la polydispersité de l'extrayant demeurent stables. Après plus d'une journée, le polymère EG-2500 est totalement réticulé et ne présente aucun signe de dégradation.After evaporation of the acetonitrile at 80 ° C., the measurements carried out and reported in FIG. 8 demonstrate the evolution of the molecular weight of the polymer EG-2500, under the same degradation conditions as the examples 2 and 3. figure also demonstrates, for this polymer, that the extracted cathode samples remain stable for a period of more than 2 hours at 80 ° C. Subsequently, there is a decrease in the extraction rate and this, although the mass molecular weight and the polydispersity of the extractor remain stable. After more than one day, the polymer EG-2500 is fully crosslinked and shows no signs of degradation.
Seuls les sous-produits liés à la réaction de réticulation sont alors extraits et analysés par GPC.Only the by-products related to the crosslinking reaction are then extracted and analyzed by GPC.
Exemple 5 - polymère P70 avec oxyde LiV3Oδ/pH inférieur à 7Example 5 - P70 polymer with LiV 3 O δ oxide / pH less than 7
8,04 grammes de LiV3O8 et 0,43 grammes de carbone Ketjen sont mélangés à sec par mécanofusion pendant 45 minutes. Le cobroyé LiV3Os-carbon ainsi obtenu est mélangé avec 3,25 grammes de polymère P70 et 0,904 grammes de LiTFSI, auxquels on ajoute 27 ml d'acétonitrile; ce mélange est introduit dans un récipient métallique dont 1/3 en volume est occupé par la solution, 1/3 par des billes d'acier et 1/3 du volume est libre. L'enrobage est obtenu par HEBM, pendant 30 minutes, à 25°C.8.04 grams of LiV 3 O 8 and 0.43 grams of Ketjen carbon are dry blended mechanofusion for 45 minutes. The cobalt LiV 3 Os-carbon thus obtained is mixed with 3.25 grams of polymer P70 and 0.904 grams of LiTFSI, to which 27 ml of acetonitrile are added; this mixture is introduced into a metal container 1/3 of which is occupied by the solution, 1/3 by volume steel balls and 1/3 of the volume is free. The coating is obtained by HEBM for 30 minutes at 25 ° C.
La solution est épandue, sur un collecteur de courant en aluminium, par mise en œuvre de la méthode du Doctor Blade. L'électrode est séchée sous vide pendant 24 heures. L'électrode obtenue présente une épaisseur de 45 micromètres. Le montage de pile est effectué comme suit : Lithium/SPE/- P70/LVO-P70.The solution is spread on an aluminum current collector using the Doctor Blade method. The electrode is dried under vacuum for 24 hours. The electrode obtained has a thickness of 45 microns. The battery assembly is performed as follows: Lithium / SPE / - P70 / LVO-P70.
La capacité de la cellule est de 5 mAh, la batterie est maintenue à 8O0C pendant 2 semaines, en mode potentiostatique à 3,6 Volts.The capacity of the cell is 5 mAh, the battery is maintained at 80 ° C. for 2 weeks, in potentiostatic mode at 3.6 volts.
La capacité a chuté de 25 % (3,75 mAh), cette perte de capacité est reliée directement à la dissolution de LiV3O8 dont le pH est inférieur à 7.The capacity dropped by 25% (3.75 mAh), this loss of capacity is directly related to the dissolution of LiV 3 O 8 whose pH is less than 7.
Exemple 6 - polymère à 4 branches avec LiV3O8/pH de 7Example 6 - 4-branch polymer with LiV 3 O 8 / pH 7
8,04 grammes de LiV3O8 et 0,43 grammes de carbone Ketjen sont mélangés à sec par mécanofusion pendant 45 minutes. Ce cobroyé LiV3O8-carbon est mélangé avec 3,25 grammes du polymère 4 branches (Elexcel TA-210) et 0,904 de LiTFSI, auxquels on ajoute 24,7 ml d'acétonitrile. Le mélange ainsi obtenu est introduit dans un récipient métallique dont 1/3 en volume est occupé par la solution de ce mélange, 1/3 par des billes d'acier et 1/3 du volume reste libre. L'enrobage est obtenu par HEBM, pendant 30 minutes, à 25°C.8.04 grams of LiV 3 O 8 and 0.43 grams of Ketjen carbon are dry blended mechanofusion for 45 minutes. This cobalt LiV 3 O 8 -carbon is mixed with 3.25 grams of the 4-branch polymer (Elexcel TA-210) and 0.904 LiTFSI, to which 24.7 ml of acetonitrile is added. The mixture thus obtained is introduced into a metal container of which 1/3 by volume is occupied by the solution of this mixture, 1/3 by steel balls and 1/3 of the volume remains free. The coating is obtained by HEBM for 30 minutes at 25 ° C.
La solution est épandue sur un collecteur de courant en aluminium, par la méthode du Doctor Blade. L'électrode est séchée sous vide pendant 24 heures, l'électrode a une épaisseur de 45 micromètres. Le montage de la pile est effectué comme suit : Lithium/SPE/-4Branches/LVO-4branches.The solution is spread on an aluminum current collector, by the method of Doctor Blade. The electrode is dried under vacuum for 24 hours, the electrode has a thickness of 45 micrometers. The battery is installed as follows: Lithium / SPE / -4Branches / LVO-4branches.
La capacité de la cellule est de 5,5 mAh, la batterie est maintenue à 8O0C pendant 2 semaines en mode potentiostatique, à 3,6 Volts. La capacité alors mesurée est de 5,2 mAh. La perte de capacité est de 1 % qui est la limite de l'erreur de la capacité. Ce qui prouve que LiV3O8 n'est pas dissout.The capacity of the cell is 5.5 mAh, the battery is maintained at 80 ° C. for 2 weeks in potentiostatic mode, at 3.6 volts. The capacity then measured is 5.2 mAh. The loss of capacity is 1% which is the limit of the error of the capacity. Which proves that LiV 3 O 8 is not dissolved.
Exemple 7 - EG avec LVO - EGExample 7 - EG with LVO - EG
8,04 grammes de LiV3O8 et 0,43 grammes de carbone Ketjen sont mélangés à sec par mécanofusion pendant 45 minutes. Ce cobroyé LiV3O8-carbon est mélangé avec 3,25 grammes de polymère EG 2500 et 0,904 de LiTFSI, auxquels on ajoute 45 ml d'acétonitrile; ce mélange est introduit dans un récipient métallique dont 1/3 en volume est constitué par la solution de ce mélange, 1/3 par des billes d'acier d'un diamètre de 6,34 mm et 1/3 volume reste libre. L'enrobage est obtenu par HEBM pendant 30 minutes à 250C.8.04 grams of LiV 3 O 8 and 0.43 grams of Ketjen carbon are dry blended mechanofusion for 45 minutes. This cobalt LiV 3 O 8 -carbon is mixed with 3.25 grams of polymer EG 2500 and 0.904 LiTFSI, to which is added 45 ml of acetonitrile; this mixture is introduced into a metal container of which 1/3 by volume is constituted by the solution of this mixture, 1/3 by steel balls with a diameter of 6.34 mm and 1/3 volume remains free. The coating is obtained by HEBM for 30 minutes at 25 ° C.
La solution est épandue sur un collecteur de courant en aluminium, par la méthode du Doctor Blade. L'électrode LVO-EG obtenue est séchée sous vide pendant 24 heures. L'électrode présente une épaisseur de 45 micromètres. Le montage de pile est effectué comme suit : Lithium/SPE-EG/-/LVO-EG.The solution is spread on an aluminum current collector, by the method of Doctor Blade. The obtained LVO-EG electrode is dried under vacuum for 24 hours. The electrode has a thickness of 45 micrometers. The battery assembly is performed as follows: Lithium / SPE-EG / - / LVO-EG.
La capacité de la cellule est de 5,5 mAh, la batterie est maintenue à 8O0C, pendant 2 semaines, en mode potentiostatique à 3,6 Volts.The capacity of the cell is 5.5 mAh, the battery is maintained at 80 ° C. for 2 weeks in potentiostatic mode at 3.6 volts.
La capacité a alors chuté de 25 % (4,1 mAh). Cette perte de capacité est reliée directement à la dissolution de LiV3O8 dont le pH est inférieur à 7.The capacity then dropped by 25% (4.1 mAh). This loss of capacity is directly related to the dissolution of LiV 3 O 8 whose pH is less than 7.
Exemple 8 - P70 avec LiFePO4 / pH supérieur à 7Example 8 - P70 with LiFePO 4 / pH greater than 7
8 grammes de LiFePO4 et 0,45 grammes de carbone Ketjen sont mélangés à sec par mécanofusion pendant 45 minutes. Ce cobroyé LiFePO4-carbone est mélangé avec 3,25 grammes de polymère P70 et 0,9 de LiTFSI, auxquels on ajoute 45 ml d'acétonitrile. Ce mélange est introduit dans un récipient métallique dont 1/3 en volume est rempli de la solution de ce mélange, 1/3 par des billes d'acier d'un diamètre de 6,34 mm et 1/3 du volume reste libre. L'enrobage est obtenu par HEBM pendant 30 minutes à 25°C.8 grams of LiFePO 4 and 0.45 grams of Ketjen carbon are dry blended mechanofusion for 45 minutes. This cobalt LiFePO 4 -carbon is mixed with 3.25 grams of P70 polymer and 0.9 of LiTFSI, to which 45 ml of acetonitrile are added. This mixture is introduced into a metal container of which 1/3 by volume is filled with the solution of this mixture, 1/3 by steel balls with a diameter of 6.34 mm and 1/3 of the volume remains free. The coating is obtained by HEBM for 30 minutes at 25 ° C.
La solution est épandue sur un collecteur de courant en aluminium, par mise en œuvre de la méthode du Doctor Blade. L'électrode LiFePO4-P70 obtenue est séchée sous vide pendant 24 heures. L'électrode présente une épaisseur de 45 micromètres. Le montage de pile est effectué comme suit : Lithium/SPE-P707- /LVO-P70.The solution is spread on an aluminum current collector, using the Doctor Blade method. The LiFePO 4 -P70 electrode obtained is dried under vacuum for 24 hours. The electrode has a thickness of 45 micrometers. The battery assembly is performed as follows: Lithium / SPE-P707- / LVO-P70.
La capacité de la cellule est de 4,5 mAh, la batterie est maintenue à 800C, pendant 2 semaines, en mode potentiostatique à 3,63 Volts.The capacity of the cell is 4.5 mAh, the battery is maintained at 80 0 C for 2 weeks in potentiostatic mode at 3.63 volts.
La capacité a alors chuté de 27 % (4,28 mAh). Cette perte de capacité est reliée directement à la non stabilité en oxydation du polymère P70.The capacity then dropped by 27% (4.28 mAh). This loss of capacity is directly related to the non-stability in oxidation of the polymer P70.
Lorsque la batterie est maintenue à 80°C pendant 2 semaines, en mode potentiostatique à 4,00 Volts, la capacité chute de 51 % (2,2 mAh). Cette perte de capacité est reliée directement à la non stabilité en oxydation du polymère P70.When the battery is maintained at 80 ° C for 2 weeks, in potentiostatic mode at 4.00 Volts, the capacity drops by 51% (2.2 mAh). This loss of capacity is directly related to the non-stability in oxidation of the polymer P70.
Exemple 9 - 4 branches avec LiFePO4/pH supérieur à 7Example 9 - 4 branches with LiFePO 4 / pH greater than 7
78 grammes de LiFePO4 et 0,45 grammes de carbone Ketjen sont mélangés à sec, par mécanofusion, pendant 45 minutes. Ce cobroyé LiFePO4-carbone est mélangé avec 3,25 grammes de polymère 4 Branches et 0,9 de LiTFSI, auxquels on ajoute 45 ml d'acétonitrile; ce mélange est introduit dans un récipient métallique dont 1/3 en volume est rempli par la solution du mélange, 1/3 de billes d'acier d'un diamètre de 6,34 mm et 1/3 du volume reste libre. L'enrobage est obtenu par HEBM, pendant 30 minutes, à 25°C.78 grams of LiFePO 4 and 0.45 grams of Ketjen carbon are dry blended by mechanofusion for 45 minutes. This cobalt LiFePO 4 -carbon is mixed with 3.25 grams of polymer 4 Branches and 0.9 LiTFSI, to which is added 45 ml of acetonitrile; this mixture is introduced into a metal container of which 1/3 by volume is filled by the solution of the mixture, 1/3 of steel balls with a diameter of 6.34 mm and 1/3 of the volume remains free. The coating is obtained by HEBM for 30 minutes at 25 ° C.
La solution est épandue sur un collecteur de courant en aluminium, par mise en œuvre de la méthode du Doctor Blade, l'électrode LiFePO4-4B est séchée sous vide pendant 24 heures, l'électrode a une épaisseur de 45 micromètres. Le montage de pile est effectué comme suit : Lithium/SPE-EG/-/LiFePO4-4B.The solution is spread on an aluminum current collector, using the Doctor Blade method, the LiFePO 4 -4B electrode is dried under empty for 24 hours, the electrode has a thickness of 45 micrometers. The battery assembly is performed as follows: Lithium / SPE-EG / - / LiFePO 4 -4B.
La capacité de la cellule est de 4,5 mAh. La batterie est maintenue à 800C pendant 2 semaines en mode potentiostatique à 3,63 Volts.The capacity of the cell is 4.5 mAh. The battery is maintained at 80 ° C. for 2 weeks in potentiostatic mode at 3.63 volts.
La capacité reste inchangée (4,5 mAh), le maintien de la capacité est relié directement à la stabilité en oxydation du polymère 4 branches.The capacity remains unchanged (4.5 mAh), the capacity maintenance is directly related to the oxidation stability of the 4-branch polymer.
Lorsque la batterie est maintenue à 800C pendant 2 semaines en mode potentiostatique à 4, 00 Volts, la perte de capacité est de 1 % (4,45 mAh). Cette perte de capacité est reliée directement à la non stabilité en oxydation du polymère.When the battery is maintained at 80 ° C. for 2 weeks in potentiostatic mode at 4.00 Volts, the capacity loss is 1% (4.45 mAh). This loss of capacity is directly related to the non-stability in oxidation of the polymer.
Le maintien de la capacité est relié directement à la stabilité en oxydation du polymère 4 Branches (4B).The maintenance of the capacity is directly related to the oxidation stability of the 4-branched polymer (4B).
Exemple 10 - 4 branches avec LiFePO4/pH supérieur à 7Example 10 - 4 branches with LiFePO4 / pH greater than 7
78 grammes de LiFePO4, et 0,45 grammes de carbone Ketjen, sont mélangés à sec par mécanofusion pendant 45 minutes. Ce cobroyé LiFePO4-carbone est mélangé avec 3,25 grammes de polymère EG-2500 et 0,9 grammes de LiTFSI, auxquels on ajoute 45 ml d'acétonitrile. Ce mélange est introduit dans un récipient métallique dont 1/3 en volume est occupé par la solution de ce mélange, 1/3 par des billes d'acier d'un diamètre de 6,34 mm et 1/3 du volume reste libre. L'enrobage est obtenu par HEBM, pendant 30 minutes, à 25°C.78 grams of LiFePO 4 , and 0.45 grams of Ketjen carbon, are dry blended mechanofusion for 45 minutes. This LiFePO 4 -carbon cobalt is mixed with 3.25 grams of EG-2500 polymer and 0.9 grams of LiTFSI, to which 45 ml of acetonitrile are added. This mixture is introduced into a metal container of which 1/3 by volume is occupied by the solution of this mixture, 1/3 by steel balls with a diameter of 6.34 mm and 1/3 of the volume remains free. The coating is obtained by HEBM for 30 minutes at 25 ° C.
La solution est épandue sur un collecteur de courant en aluminium, par mise en œuvre de la méthode du Doctor Blade. L'électrode LiFePO4-4B est séchée sous vide pendant 24 heures, l'électrode présente une épaisseur de 45 micromètres. Le montage de pile est effectué comme suit : Lithium/SPE-EG/- /LiFePO4-4B. La capacité de la cellule est de 4,5 mAh, la batterie est maintenue à 800C, pendant 2 semaines, en mode potentiostatique à 3,63 Volts.The solution is spread on an aluminum current collector, using the Doctor Blade method. The LiFePO 4 -4B electrode is dried under vacuum for 24 hours, the electrode has a thickness of 45 micrometers. The battery assembly is performed as follows: Lithium / SPE-EG / - / LiFePO 4 -4B. The capacity of the cell is 4.5 mAh, the battery is maintained at 80 0 C for 2 weeks in potentiostatic mode at 3.63 volts.
La capacité reste inchangée (4,5 mAh). Le maintien de la capacité est relié directement à la stabilité en oxydation du polymère 4 branches.The capacity remains unchanged (4.5 mAh). Maintaining the capacity is directly related to the oxidation stability of the 4-branched polymer.
Lorsque la batterie est maintenue à 800C pendant 2 semaines, en mode potentiostatique à 4, 00 Volts, la perte de capacité est de 1 % (4,45 mAh). Cette perte de capacité est reliée directement à la non stabilité en oxydation du polymère.When the battery is maintained at 80 ° C. for 2 weeks, in potentiostatic mode at 4.00 Volts, the capacity loss is 1% (4.45 mAh). This loss of capacity is directly related to the non-stability in oxidation of the polymer.
Le maintien de la capacité est relié directement à la stabilité en oxydation du polymère 4 branches.Maintaining the capacity is directly related to the oxidation stability of the 4-branched polymer.
Exemple 11 - EG2500 avec LiFePO4 /pH supérieur à 7Example 11 - EG2500 with LiFePO 4 / pH greater than 7
78 grammes de LiFePO4 et 0,45 grammes de carbone Ketjen sont mélangés à sec par mécanofusion pendant 45 minutes. Le cobroyé LiFePO4-carbone obtenu est mélangé avec 3,25 grammes de polymère EG-2500 et 0,9 de LiTFSI, auxquels on ajoute 45 ml d'acétonitrile. Le mélange ainsi obtenu est introduit dans un récipient métallique dont 1/3 en volume est rempli de la solution de ce mélange, 1/3 par des billes d'acier d'un diamètre de 6,34 mm, et 1/3 du volume reste libre. L'enrobage est obtenu par HEBM, pendant 30 minutes, à 25°C.78 grams of LiFePO 4 and 0.45 grams of Ketjen carbon are dry blended mechanofusion for 45 minutes. The resulting LiFePO 4 -carbon cobalt is mixed with 3.25 grams of EG-2500 polymer and 0.9 of LiTFSI, to which 45 ml of acetonitrile are added. The mixture thus obtained is introduced into a metal container of which 1/3 by volume is filled with the solution of this mixture, 1/3 by steel balls with a diameter of 6.34 mm, and 1/3 of the volume. remain free. The coating is obtained by HEBM for 30 minutes at 25 ° C.
La solution est épandue sur un collecteur de courant en aluminium d'une épaisseur de 17 μm, par mise en œuvre de la méthode du Doctor Blade. L'électrode LiFePO4-4B est séchée sous vide pendant 24 heures, elle présente une épaisseur de 45 micromètres. Le montage de la pile est effectué comme suit : Lithium/SPE-EG/-/LIFEPO4-polymère 4B.The solution is spread on a 17 μm thick aluminum current collector, using the Doctor Blade method. The LiFePO 4 -4B electrode is dried under vacuum for 24 hours, it has a thickness of 45 micrometers. The battery is installed as follows: Lithium / SPE-EG / - / LIFEPO 4 -polymer 4B.
La capacité de la cellule est de 4,5 mAh. La batterie est maintenue à 8O0C, pendant 2 semaines, en mode potentiostatique à 3,63 Volts. La capacité reste inchangée (4,5 mAh), le maintien de la capacité est relié directement à la stabilité en oxydation du polymère 4 branches.The capacity of the cell is 4.5 mAh. The battery is maintained at 80 ° C. for 2 weeks in potentiostatic mode at 3.63 volts. The capacity remains unchanged (4.5 mAh), the capacity maintenance is directly related to the oxidation stability of the 4-branch polymer.
Lorsque la batterie est maintenue à 800C pendant 2 semaines en mode potentiostatique à 4,00 Volts, la perte de capacité est de 1 % (4,45 mAh). Cette perte de capacité est reliée directement à la non stabilité en oxydation du polymère.When the battery is maintained at 80 0 C for 2 weeks in potentiostatic mode at 4.00 Volts, the loss of capacity is 1% (4.45 mAh). This loss of capacity is directly related to the non-stability in oxidation of the polymer.
Le maintien de la capacité est relié directement à la stabilité en oxydation du polymère EG.The maintenance of the capacity is directly related to the oxidation stability of the EG polymer.
Les particules enrobées de l'invention s'avèrent posséder d'excellentes propriétés électrochimiques, notamment en ce qui concerne la durée de vie des batteries dans lesquelles on les incorpore et en raison de son intérêt économique.The coated particles of the invention are found to have excellent electrochemical properties, especially with regard to the life of batteries in which they are incorporated and because of its economic interest.
La Figure 1 illustre le phénomène de dissolution observé pour de petites particules, non enrobées, à base de vanadium oxyde lithié et de formule LiVaO8. L'insertion de Li dans l'oxyde de vanadium provoque une augmentation volumique des particules; à l'origine d'une taille moyenne de 5 micromètres (D50). Les particules lithiées possèdent une taille moyenne de 5,5 micromètres (D55), ce qui correspond à une augmentation de taille de 3 à 4 %. Après 50 cycles, les particules d'oxyde métallique présentent une taille moyenne plus faible qui est de 3,5 micromètres.Figure 1 illustrates the phenomenon of dissolution observed for small particles, uncoated, based vanadium oxide lithia and LiVaO 8 . The insertion of Li into the vanadium oxide causes a volume increase of the particles; at the origin of an average size of 5 micrometers (D50). The lithiated particles have an average size of 5.5 micrometers (D55), which corresponds to a size increase of 3 to 4%. After 50 cycles, the metal oxide particles have a smaller average size of 3.5 microns.
La Figure 2 illustre le phénomène de dissolution de grosses particules, non enrobées, à base de vanadium oxyde lithié. L'insertion de Li dans l'oxyde de vanadium provoque une augmentation volumique des particules. Les particules lithiées possèdent une taille moyenne de 33 micromètres. Après 100 cycles, les particules d'oxyde métallique présentent une taille moyenne de 23 micromètres. La Figure 4 visualise le comportement d'une électrode selon l'invention, dans laquelle les particules de l'oxyde métallique ont été enrobées par un polymère stable qui ralentit la dissolution du vanadium dans l'électrode. Les références utilisées dans la Figure 4 sont : 18 pour lithium, 20 pour SPE, 22 pour carbone Ketjen, 24 pour (polymère 4 branches) enrobant l'oxyde et 5 pour noyau d'oxyde.Figure 2 illustrates the phenomenon of dissolution of large particles, uncoated, based vanadium oxide lithiated. The insertion of Li into the vanadium oxide causes a volume increase of the particles. The lithiated particles have an average size of 33 micrometers. After 100 cycles, the metal oxide particles have an average size of 23 micrometers. Figure 4 shows the behavior of an electrode according to the invention, wherein the particles of the metal oxide have been coated with a stable polymer which slows the dissolution of vanadium in the electrode. The references used in FIG. 4 are: 18 for lithium, 20 for SPE, 22 for Ketjen carbon, 24 for (4-arm polymer) coating the oxide and 5 for oxide core.
Bien que la présente invention ait été décrite à l'aide de mises en œuvre spécifiques, il est entendu que plusieurs variations et modifications peuvent se greffer auxdites mises en œuvre, et la présente invention vise à couvrir de telles modifications, usages ou adaptations de la présente invention suivant en général, les principes de l'invention et incluant toute variation de la présente description qui deviendra connue ou conventionnelle dans le champ d'activité dans lequel se retrouve la présente invention, et qui peut s'appliquer aux éléments essentiels mentionnés ci-haut. Although the present invention has been described with the aid of specific implementations, it is understood that several variations and modifications can be grafted to said implementations, and the present invention aims to cover such modifications, uses or adaptations of the invention in general, the principles of the invention and including any variation of the present description which will become known or conventional in the field of activity in which the present invention is found, and which can be applied to the essential elements mentioned ci -high.

Claims

Revendications claims
1. Particule comprenant un noyau et un enrobage qui recouvre au moins en partie, de préférence au moins 80 %, plus préférentiellement encore au moins 90 % et selon le mode le plus avantageux 100 % de la surface dudit noyau, ladite particule étant caractérisée en ce que :1. Particle comprising a core and a coating which covers at least partly, preferably at least 80%, more preferably still at least 90% and in the most advantageous manner 100% of the surface of said core, said particle being characterized in what:
- ledit noyau est composé de préférence pour au moins 90 %, plus préférentiellement encore pour au moins 94 % en poids d'un oxyde métallique acide, d'un pH de préférence inférieur à 6,5, plus préférentiellement encore d'un pH compris entre 3 et 6;said core is preferably composed for at least 90%, more preferably still for at least 94% by weight of an acid metal oxide, with a pH of preferably less than 6.5, more preferably still with a pH of between 3 and 6;
- l'enrobage du noyau étant à base d'un polymère, de préférence à base d'un polymère salé, dont la stabilité électrochimique est supérieure ou égale à 3,7 Volts;- The coating of the core being based on a polymer, preferably based on a salt polymer, whose electrochemical stability is greater than or equal to 3.7 volts;
- la taille de l'enrobage est d'une épaisseur moyenne préférentiellement comprise entre 500 nanomètres et 2 micromètres et le noyau recouvert est d'une taille moyenne d50 qui est de préférence comprise entre 500 nanomètres et 40 micromètres, plus préférentiellement encore cette taille est comprise entre 2 et 20 micromètres; etthe size of the coating is of average thickness preferably between 500 nanometers and 2 micrometers and the coated core is of an average size of 50 which is preferably between 500 nanometers and 40 micrometers, more preferably still this size is between 2 and 20 micrometers; and
- le taux de solubilité (ts), à temps fixe, de l'oxyde métallique migrant vers l'électrolyte, par cycle, est inférieur à 5 pour 10000, de préférence ce taux est compris entre 2 et 4,5 pour 10000.the solubility rate (ts), at a fixed time, of the metal oxide migrating towards the electrolyte, per cycle, is less than 5 per 10,000, preferably this level is between 2 and 4.5 per 10,000.
2. Particule selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le polymère utilisé pour réaliser l'enrobage est chimiquement stable.2. Particle according to claim 1, characterized in that the polymer used to carry out the coating is chemically stable.
3. Particule selon la revendication 2, caractérisée en ce que le polymère utilisé pour réaliser l'enrobage est chimiquement très stable.3. Particle according to claim 2, characterized in that the polymer used to carry out the coating is chemically very stable.
4. Particule selon la revendication 3, caractérisée en ce que le polymère utilisé pour réaliser l'enrobage est chimiquement extrêmement stable. 4. Particle according to claim 3, characterized in that the polymer used to carry out the coating is chemically extremely stable.
5. Particule selon la revendication 4, caractérisée en ce que la stabilité électrochimique du polymère utilisé pour l'enrobage est comprise entre 3,75 et 5 Volts.5. Particle according to claim 4, characterized in that the electrochemical stability of the polymer used for the coating is between 3.75 and 5 volts.
6. Particule selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle l'oxyde métallique est choisi dans le groupe constitué par LiMn2O4, V2Os, LiMn(2-χ)Vxθ4 avec x variant de 0 à 1 bornes comprises, V6Oi3 et LiV3Os, préférentiellement encore l'oxyde métallique est LiV3O8.6. Particle according to any one of claims 1 to 5, wherein the metal oxide is selected from the group consisting of LiMn 2 O 4 , V 2 Os, LiMn ( 2-χ) V x θ 4 with x varying from 0 to 1 terminals inclusive, V 6 Oi 3 and LiV 3 Os , more preferably the metal oxide is LiV 3 O 8 .
7. Particule selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le noyau de la particule comporte de 1 à 12 %, de préférence de 6 à 10 % en poids d'un carbone choisi de préférence dans le groupe constitué par le noir d'éthylène, le graphite naturel, le graphite artificiel, carbone de Shawinigan, le carbone de Ketjen, et les mélanges d'au moins deux de ces derniers.7. Particle according to any one of claims 1 to 6, wherein the core of the particle comprises from 1 to 12%, preferably from 6 to 10% by weight of a carbon chosen preferably from the group consisting of ethylene black, natural graphite, artificial graphite, Shawinigan carbon, Ketjen carbon, and mixtures of at least two of these.
8. Particule selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle l'enrobage du noyau est à base :8. Particle according to any one of claims 1 to 7, wherein the coating of the core is based on:
- d'un ou de plusieurs polymères salés, de préférence à base d'au moins un polymère salé par au moins un sel choisi dans le groupe constitué par les sels de type LiFSI, LiTFSI, LiBETI, LiDCTA, LiBF4 et LiPF6; etone or more salt polymers, preferably based on at least one polymer salted with at least one salt selected from the group consisting of salts of LiFSI, LiTFSI, LiBETI, LiDCTA, LiBF 4 and LiPF 6 type ; and
- d'au maximum 10 % de charges choisies de préférence dans le groupe constitué par SiO2, ZrO2 et AI2O3, et les mélanges d'au moins deux de ces derniers.at most 10% of fillers chosen preferably from the group consisting of SiO 2 , ZrO 2 and Al 2 O 3, and mixtures of at least two of these.
9. Particule selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le polymère constitutif de l'enrobage est conducteur électronique, et il est de préférence à base d'un polymère choisi dans le groupe constitué par les polyanilines, de préférence dans le groupe des polyanilines ayant un poids moléculaire moyen supérieur à 1000, et de préférence compris entre 2500 et 50000.9. Particle according to any one of claims 1 to 8, wherein the polymer constituting the coating is electronically conductive, and it is preferably based on a polymer selected from the group consisting of polyanilines, preferably in the group of polyanilines having an average molecular weight greater than 1000, and preferably between 2500 and 50000.
10. Particule selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle le polymère constitutif de l'enrobage est non conducteur électronique et il est choisit de préférence dans le groupe constitué par les polymères non conducteurs de type multibranches.10. Particle according to any one of claims 1 to 9, wherein the polymer constituting the coating is nonconductive electron and it is preferably chosen from the group consisting of non-conducting polymers of the multi-branch type.
11. Particule selon la revendication 10, dans laquelle le polymère non conducteur électronique est d'au moins 3 branches, et plus préférentiellement encore de type 4 branches tels ceux décrits dans la demande internationale WO 03/063287 (et plus particulièrement en pages 5, 8 et 9), déposée au nom d'Hydro-Québec, ainsi que dans les colonnes 1 et 2 du brevet américain US-A- 6,190,804 et qui présentent des terminaisons hybrides acrylates (de préférence méthacrylates) et alkoxy (de préférence alkoxy avec de 1 à 8 atomes de carbone, plus préférentiellement encore méthoxy ou éthoxy), ou encore vinyle.11. Particle according to claim 10, wherein the electron-non-conductive polymer is at least 3 branches, and more preferably still of the 4-branch type such as those described in the international application WO 03/063287 (and more particularly on pages 5, 5). 8 and 9), filed in the name of Hydro-Québec, as well as in columns 1 and 2 of US Pat. No. 6,190,804 and which have hybrid acrylate (preferably methacrylate) and alkoxy (preferably alkoxy) terminators with 1 to 8 carbon atoms, more preferably still methoxy or ethoxy), or vinyl.
12. Particule selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 , dans laquelle l'oxyde métallique est un mélange (50: 50) de LiV3O8 et de V2Os.The particle of any one of claims 1 to 11, wherein the metal oxide is a mixture (50:50) of LiV 3 O 8 and V 2 Os.
13. Particule selon la revendication 1 , comportant un noyau de l'oxyde métallique LiV3Os d'une taille de 5 microns, recouverte pour 80 % de sa surface par un enrobage constitué du polymère de type 4 branches et d'une épaisseur moyenne comprise entre 10 nanomètres et 5 micromètres, de préférence comprise entre 15 nanomètres et 2 micromètres, caractérisée par un ts inférieur à 5 %.13. Particle according to claim 1, comprising a core of the metal oxide LiV 3 Os of a size of 5 microns, covered for 80% of its surface by a coating consisting of the polymer type 4 branches and an average thickness between 10 nanometers and 5 micrometers, preferably between 15 nanometers and 2 micrometers, characterized by an ts less than 5%.
14. Particule selon la revendication 1 , comportant un noyau de l'oxyde métallique V2O5 d'une taille de 5 micromètres, recouvert pour 80 % de sa surface par un enrobage constitué du polymère 4B et d'une épaisseur moyenne comprise entre 10 nanomètres et 5 micromètres, de préférence comprise entre 15 nanomètres et 2 micromètres, caractérisée par un ts inférieur à 4 %.14. Particle according to claim 1, comprising a core of the metal oxide V 2 O 5 of a size of 5 microns, covered for 80% of its surface by a coating consisting of the polymer 4B and of an average thickness between 10 nanometers and 5 micrometers, preferably between 15 nanometers and 2 micrometers, characterized by a ts less than 4%.
15. Procédé de préparation d'un mélange homogène de particules selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, par préparation d'un mélange du polymère et d'un oxyde métallique, par voie sec sans aucun ajout de solvant, de préférence dans des proportions en poids de 10 à 90 %, de préférence de 40 à 80 % pour chacun des constituants du mélange, de préférence la quantité d'oxyde métallique présent dans le mélange est supérieure à celle du polymère.Process for the preparation of a homogeneous mixture of particles according to any one of Claims 1 to 14, by preparing a mixture of the polymer and a metal oxide, by the dry route without any addition of solvent, preferably in proportions by weight of 10 to 90%, preferably 40 to 80% for each of the constituents of the mixture, preferably the amount of metal oxide present in the mixture is greater than that of the polymer.
16. Procédé de préparation d'un mélange homogène de particules selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel le mélange se fait :Process for the preparation of a homogeneous mixture of particles according to any one of Claims 1 to 14, in which the mixture is:
- par préparation d'un mélange du polymère et d'un oxyde métallique, de préférence dans des proportions en poids de 10 à 90 %, de préférence de 40 à 80 % pour chacun des constituants du mélange, de préférence la quantité d'oxyde métallique présent dans le mélange est supérieure à celle du polymère; et- by preparing a mixture of the polymer and a metal oxide, preferably in proportions by weight of 10 to 90%, preferably 40 to 80% for each of the constituents of the mixture, preferably the amount of oxide metal present in the mixture is greater than that of the polymer; and
- avec ajout dans le solvant d'au moins un solvant choisi dans le groupe constitué par l'acétone, l'acétonitrile, le toluène, MEK, NMP ou les mélanges d'au moins deux de ces derniers, de préférence le solvant utilisé représente en volume de 10 à 80 %, plus préférentiellement de 20 à 70 % du volume total du solvant et du mélange.with addition to the solvent of at least one solvent selected from the group consisting of acetone, acetonitrile, toluene, MEK, NMP or mixtures of at least two of these, preferably the solvent used represents in volume of 10 to 80%, more preferably 20 to 70% of the total volume of the solvent and the mixture.
17. Procédé selon la revendication 15 ou 16, dans laquelle le mélange se fait par bail milling, sand mill, HEBM, mécanofusion, agglomaster, Nobita® ou par mise en œuvre d'au moins deux de ces techniques et de préférence à une température comprise entre 10 et 4O0C et, de préférence, en présence d'un gaz inerte choisi dans le groupe constitué par l'azote, argon ou air sec.17. The method of claim 15 or 16, wherein the mixture is milling, sand mill, HEBM, mechanofusion, agglomaster, Nobita ® or by using at least two of these techniques and preferably at a temperature. between 10 and 40 ° C. and, preferably, in the presence of an inert gas selected from the group consisting of nitrogen, argon or dry air.
18. Électrode constituée d'un support d'électrode, ledit support étant de préférence fait d'un matériau métallique ou d'un matériau plastique conducteur, et au moins partiellement recouvert, de préférence de façon homogène par un mélange constitué d'au moins 40 %, de préférence de 50 à 80 % en poids de particules définies dans l'une quelconque des revendications 1 à 14 ou obtenues par un des procédés défini dans l'une quelconque des revendications 15 à 17.18. An electrode consisting of an electrode support, said support being preferably made of a metallic material or a conductive plastic material, and at least partially covered, preferably homogeneously by a mixture of at least 40%, preferably 50 to 80% by weight of particles defined in any one of claims 1 to 14 or obtained by one of the processes defined in any one of claims 15 to 17.
19. Électrode selon la revendication 18, dans laquelle au moins un polymère est un liant de ladite électrode en créant des ponts entre le support d'électrode, les particules à base d'oxyde métallique et l'enrobage à base de polymères. The electrode of claim 18, wherein at least one polymer is a binder of said electrode by creating bridges between the electrode support, the metal oxide particles and the polymer coating.
20. Électrode selon la revendication 19, dans laquelle le polymère liant est un mélange d'un polymère d'enrobage à haute stabilité et à caractère liant et d'un polymère qui assure le lien entre les particules de la cathode et qui est différent du polymère présent dans l'enrobage.20. An electrode according to claim 19, wherein the binder polymer is a mixture of a high stability polymer and binder and a polymer which provides the connection between the particles of the cathode and which is different from the polymer present in the coating.
21. Électrode selon la revendication 19, dans laquelle le polymère liant est uniquement constitué par le polymère d'enrobage à haute stabilité électrochimique.21. An electrode according to claim 19, wherein the binder polymer consists solely of the coating polymer with high electrochemical stability.
22. Électrode selon l'une quelconque des revendications 18 à 21 , comprenant au moins un polymère contenant au moins un sel de lithium et au moins un carbone de surface spécifique supérieure ou égale à 1 m2/g, de préférence au moins un carbone de surface spécifique supérieure à 50 m2/g.22. Electrode according to any one of claims 18 to 21, comprising at least one polymer containing at least one lithium salt and at least one carbon of specific surface area greater than or equal to 1 m 2 / g, preferably at least one carbon. specific surface area greater than 50 m 2 / g.
23. Électrode selon la revendication 22, dans laquelle le mélange (polymère- oxyde-sel-carbone) a été réalisé sans ajout de solvant, de préférence par mise en œuvre de la méthode du Doctor Blade et/ou par extrusion.23. Electrode according to claim 22, wherein the mixture (polymer-oxide-salt-carbon) has been produced without addition of solvent, preferably by implementation of the method of Doctor Blade and / or by extrusion.
24. Électrode selon la revendication 22, dans laquelle le mélange (polymère- oxyde-sel-carbone) a été réalisé avec ajout de solvant choisi de préférence dans le groupe constitué par l'acétone, l'acetonitrile, le toluène, MEK, VC, DEC, DMC, EMC, DME ou les mélanges d'au moins deux de ces derniers, de préférence par mise en œuvre de la méthode du Doctor Blade et/ou par extrusion.24. Electrode according to claim 22, in which the mixture (polymer-oxide-salt-carbon) has been produced with the addition of a solvent preferably chosen from the group consisting of acetone, acetonitrile, toluene, MEK, VC. , DEC, DMC, EMC, DME or mixtures of at least two of these, preferably by using the method of the Doctor Blade and / or by extrusion.
25. Électrode selon la revendication 23 ou 24, dans laquelle la composition du polymère représente de 1 à 70 % en poids par rapport au poids total du mélange (polymère + sel + oxyde + carbone).25. The electrode of claim 23 or 24, wherein the polymer composition is 1 to 70% by weight relative to the total weight of the mixture (polymer + salt + oxide + carbon).
26. Électrode selon la revendication 25, dans laquelle la composition du carbone représente de 1 à 10 % en poids par rapport au poids total du mélange (polymère + sel + oxyde + carbone). 26. Electrode according to claim 25, wherein the composition of the carbon represents 1 to 10% by weight relative to the total weight of the mixture (polymer + salt + oxide + carbon).
27. Électrode selon l'une quelconque des revendications 18 à 26, dans laquelle la concentration du sel, présent dans le mélange (polymère-oxyde-sel-carbone), et exprimée par rapport au polymère, est comprise entre 0,1 M et 3 M, de préférence entre 0,7 M et 2 M.27. An electrode according to any one of claims 18 to 26, wherein the concentration of the salt, present in the mixture (polymer-oxide-salt-carbon), and expressed with respect to the polymer, is between 0.1 M and 3 M, preferably between 0.7 M and 2 M.
28. Électrode selon l'une quelconque des revendications 18 à 27, dans laquelle le carbone, présent dans le mélange (polymère-oxyde-sel-carbone), est un mélange d'un premier carbone de nature graphite avec une surface spécifique inférieure à 50 m2/g et d'un second carbone de type grande surface non - graphitique dont la surface spécifique est supérieure à 50 m2/g, la surface spécifique étant mesurée selon la méthode BET.28. An electrode according to any one of claims 18 to 27, wherein the carbon present in the mixture (polymer-oxide-salt-carbon) is a mixture of a first carbon of graphite nature with a specific surface area less than 50 m 2 / g and a second carbon type large non-graphitic surface whose specific surface area is greater than 50 m 2 / g, the specific surface area being measured according to the BET method.
29. Électrode selon l'une quelconque des revendications 18 à 27, dans laquelle le carbone est de type fibre de carbone VGCF, Ex mésophase, PAN29. Electrode according to any one of claims 18 to 27, wherein the carbon is carbon fiber type VGCF, mesophase Ex, PAN
(polyacronitryle).(Polyacronitryle).
30. Électrode selon la revendication 29, dans laquelle le sel est dissous dans le polymère et est il choisit dans le groupe constitué par LiFSI, LiTFSI, LiBETI, LiPF6 et les mélanges d'au moins deux de ces derniers.The electrode of claim 29, wherein the salt is dissolved in the polymer and is selected from the group consisting of LiFSI, LiTFSI, LiBETI, LiPF 6 and mixtures of at least two of these.
31. Procédé de préparation d'une électrode selon l'une quelconque des revendications 18 à 28, dans lequel un mélange liquide oxyde-polymère-sel- carbone est épandu sur un collecteur de courant de type métallique par extrusion ou par Doctor Blade, slot die, coma.31. A method of preparing an electrode according to any one of claims 18 to 28, wherein an oxide-polymer-salt-carbon liquid mixture is spread on a metal-type current collector by extrusion or Doctor Blade slot die, coma.
32. Procédé de préparation d'une électrode, selon la revendication 31 , dans lequel le polymère est de type à quatre branches avec de préférence au moins deux branches susceptibles de donner lieu à une réticulation, et il est transformé en matrice polymère, éventuellement en présence d'un solvant organique, par réticulation après épandage du mélange sur le support d'électrode. 32. A method for preparing an electrode according to claim 31, wherein the polymer is of the four-branch type with preferably at least two branches capable of giving rise to crosslinking, and is converted into a polymer matrix, optionally presence of an organic solvent, by crosslinking after spreading the mixture on the electrode support.
33. Procédé de préparation d'une électrode selon la revendication 32, dans lequel la réticulation est conduite sans ajout d'un agent de réticulation autre que l'oxyde métallique.33. The method of preparing an electrode according to claim 32, wherein the crosslinking is conducted without adding a crosslinking agent other than the metal oxide.
34. Procédé de préparation d'un générateur électrochimique comportant au moins une anode, au moins une cathode et un électrolyte, dans lequel au moins une des électrodes est telle que définie dans l'une quelconque des revendications 18 à 30, ou telle qu'obtenue par l'un des procédés défini dans l'une quelconque des revendications 31 à 33.34. A process for the preparation of an electrochemical generator comprising at least one anode, at least one cathode and an electrolyte, in which at least one of the electrodes is as defined in any one of claims 18 to 30, or such that obtained by one of the methods defined in any one of claims 31 to 33.
35. Procédé de préparation d'un générateur électrochimique selon la revendication 34, dans lequel le générateur électrochimique est de type générateur de lithium et la cathode épandue est introduite dans ledit générateur de lithium avec un polymère sec comme électrolyte, la batterie ne contient aucun solvant liquide.35. A method of preparing an electrochemical generator according to claim 34, wherein the electrochemical generator is of the lithium generator type and the spread cathode is introduced into said lithium generator with a dry polymer as electrolyte, the battery contains no solvent. liquid.
36. Procédé de préparation d'un générateur électrochimique selon la revendication 35, dans lequel l'électrolyte est constituée de la même matière que le liant et que l'enrobage.36. A method of preparing an electrochemical generator according to claim 35, wherein the electrolyte is made of the same material as the binder and the coating.
37. Procédé de préparation d'un générateur électrochimique selon la revendication 35, dans lequel l'électrolyte est constitué d'une matière différente de celle qui constitue le liant et/ou l'enrobage.37. A method of preparing an electrochemical generator according to claim 35, wherein the electrolyte is made of a material different from that which constitutes the binder and / or the coating.
38. Procédé de préparation d'un générateur électrochimique selon l'une quelconque des revendications 34 à 37, dans lequel l'électrolyte a aussi le rôle de séparateur et il est constitué d'un polymère sec qui présente une stabilité électrochimique supérieure à 3,7 Volts.38. A method of preparing an electrochemical generator according to any one of claims 34 to 37, wherein the electrolyte also has the role of separator and consists of a dry polymer which has an electrochemical stability greater than 3, 7 Volts.
39. Procédé de préparation d'un générateur électrochimique selon l'une quelconque des revendications 34 à 37, dans lequel l'électrolyte a aussi le rôle de séparateur et il est constitué d'un polymère sec qui présente une stabilité électrochimique inférieure à 3,7 Volts. 39. A method of preparing an electrochemical generator according to any one of claims 34 to 37, wherein the electrolyte also has the role of separator and consists of a dry polymer which has an electrochemical stability of less than 3, 7 Volts.
40. Procédé de préparation d'un générateur électrochimique selon l'une quelconque des revendications 34 à 39, dans lequel l'anode est de type lithium ou alliage de lithium ou carbone, graphite, fibre de carbone, Li4Ti5Oi2, WO2, de préférence lithium métallique ou légèrement allié.40. Process for the preparation of an electrochemical generator according to claim 34, in which the anode is of lithium or lithium or carbon alloy type, graphite, carbon fiber, Li 4 Ti 5 Oi 2 , WO 2 , preferably lithium metal or slightly alloyed.
41. Procédé de préparation d'un générateur électrochimique, selon la revendication 40, dans lequel le lithium est allié avec Al, Sn, carbone, Si, Mg et la teneur de métaux allié est supérieure à 50 ppm, de préférence supérieure à 500 ppm.41. A method of preparing an electrochemical generator, according to claim 40, wherein the lithium is alloyed with Al, Sn, carbon, Si, Mg and the alloy metal content is greater than 50 ppm, preferably greater than 500 ppm. .
42. Générateur électrochimique obtenu par mise en œuvre d'un des procédés selon l'une quelconque des revendications 31 à 41.42. An electrochemical generator obtained by implementing one of the methods according to any one of claims 31 to 41.
43. Générateur électrochimique contenant au moins un élément constitutif comprenant des particules telles que définies dans l'une quelconque des revendications 1 à 14 ou telles qu'obtenue par mise en œuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 17.43. An electrochemical generator containing at least one constituent element comprising particles as defined in any one of Claims 1 to 14 or as obtained by implementing a method according to any one of Claims 15 to 17.
44. Générateur obtenu par mise en œuvre d'un des procédés défini dans l'une quelconque des revendications 36 à 41 ou tel que défini dans les revendications 42 ou 43.44. Generator obtained by implementing one of the methods defined in any one of claims 36 to 41 or as defined in claims 42 or 43.
45. Utilisation d'un générateur selon la revendication 44 dans un véhicule électrique, dans un véhicule hybride, dans les télécommunications, UPS, et dans les dispositifs électrochromes.45. Use of a generator according to claim 44 in an electric vehicle, in a hybrid vehicle, in telecommunications, UPS, and in electrochromic devices.
46. Procédé de préparation d'une électrode selon la revendication 31 , dans laquelle le polymère est de type EG, avec de préférence au moins deux branches susceptibles de donner lieu à une réticulation, et ledit polymère est transformé en matrice polymère, éventuellement en présence d'un solvant organique, par réticulation après épandage du mélange sur le support d'électrode. 46. A process for preparing an electrode according to claim 31, wherein the polymer is of EG type, with preferably at least two branches liable to give rise to crosslinking, and said polymer is converted into a polymer matrix, possibly in the presence of an organic solvent, by crosslinking after spreading the mixture on the electrode support.
47. Procédé de réduction de la solubilité des oxydes métalliques dans les systèmes électrochimiques consistant à augmenter le pH de l'oxyde, préférentiellement en choisissant la nature et la quantité du carbone mélangé avec les particules d'oxydes, plus particulièrement en enrobant les particules d'oxyde par un polymère, à base de PEO, polyacrylonitrile, PMMA et/ou PVC solubilisé dans un solvant (acétonitrile, eau, acétone, méthanol ...), puis en séchant la composition et en la carbonisant à une température d'environ 600- 7000C, sous une atmosphère inerte pendant 8-12 heures; la quantité et le type du polymère utilisé étant reliée au taux de carbone résiduel présent à la surface des particules de l'oxyde et le mélange oxyde et solution de polymère pouvant être avantageusement réalisé par jar mill, bar mill, ou mélangeur à peinture. 47. Process for reducing the solubility of metal oxides in electrochemical systems consisting in increasing the pH of the oxide, preferably by choosing the nature and the quantity of the carbon mixed with the oxide particles, more particularly by coating the particles of is oxidized by a polymer, based on PEO, polyacrylonitrile, PMMA and / or PVC solubilized in a solvent (acetonitrile, water, acetone, methanol, etc.), then drying the composition and carbonizing it at a temperature of 600-700 ° C. under an inert atmosphere for 8-12 hours; the quantity and type of the polymer used being connected to the residual carbon content present at the surface of the particles of the oxide and the oxide and polymer solution mixture can be advantageously produced by jar mill, bar mill, or paint mixer.
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